Time traces of individual kinesin motors suggest functional heterogeneity
传统的分析在体外测定马达蛋白依赖于假设，所有的蛋白质具有相同的化学组成的功能相同;然而，分子到分子的变化，经常看到，即使在良好的控制实验。为了获得一组统计学上有意义的时间轨迹，同时避免任何实验文物，我们进行了量子点标记的驱动蛋白实验的表面和悬浮微管。类似于玻璃系统，我们发现，平均速度的个别驱动蛋白电机变化很大，从一个电机到另一个，其变化大于预期的随机变化的步进时间。在存在非均匀性的情况下，诸如扩散常数或随机性参数之类的整体平均量是不明确的。我们建议通过将单分子测量的异质数据分解成同质子集合来分析它们。
2015-08-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Crowding and pausing strongly affect dynamics of kinesin-1 motors along microtubules
驱动蛋白1家族的分子马达以定向和进行的方式沿着微管（MT）运动。人们普遍认为，空间位阻的电机导致拥挤效应，然而，很少有人知道有关的具体相互作用。我们采用了基于代理的格子气模型来研究相互作用的影响，增强分离的电机从拥挤的细丝对他们的集体动力学。我们的模型的预测定量同意实验观察到的浓度依赖性的关键电机特性，包括他们的运行长度，停留时间，速度和着陆率。从个别电机表现出相对较长的停顿异常步进统计，我们推断驱动蛋白-1电机有时陷入非活动状态。因此，交通堵塞的形成放大了单个非活动马达的影响，并导致对所产生的无运动或慢运动的周期的频率和持续时间的拥挤依赖。我们解释了这些发现，并得出结论，驱动蛋白-1花费了显着的一部分，其步进周期中的弱结合状态，其中只有一个头部是绑定到MT。
2018-05-09 physics.bio-ph
Biochemical pathways of forward/backward steps of motor protein kinesin-1
Kinesin-1是一种由ATP驱动的双头马达蛋白，在细胞内沿微管转运物质。基于最近的实验观察，我们制定了一个机械化学模型，其中向前/向后/无效循环的驱动蛋白-1可以通过多个生化途径实现。我们的研究结果表明，正向循环和无效循环都由两条生化途径组成，而反向循环可能通过六条可能的途径实现。驱动蛋白-1在半分离状态下的后向运动主要是沿着微管向后滑动，通常伴随ATP水解。在低外负荷下，约80%的ATP被驱动蛋白1浪费掉，且这一比例几乎与ATP浓度无关。在高ATP浓度或高外负荷下，驱动蛋白的两端始终处于ATP或ADP $\cdot$ Pi结合状态，与微管紧密结合。而在低ATP浓度和低负荷时，驱动蛋白主要处于单头结合状态。与平均运行长度相反，驱动蛋白1沿微管的平均运行时间随着ATP浓度的增加而减少。除非外部载荷接近失速力，否则驱动蛋白-1的运动几乎是确定性的，而不是像通常的Browian棘轮模型所预测的那样。
2021-12-29 physics.bio-ph
A structural perspective on the dynamics of kinesin motors
尽管在热噪声下会有显著的波动，但细胞中的生物机器仍能以极高的精度执行任务。使用粗粒度模型的分子模拟和理论论证，我们设想了驱动蛋白，生物机器的原型，如何产生力，并调节其动力学，以维持持续的运动动作。基于结构的模型，它可以是通用的，在适应其结构的外部压力，同时保持其原生的折叠，被用来解释几个功能的驱动蛋白动力学沿生化循环。这种分析补充了我们目前对驱动蛋白动力学的理解和实验的联系。我们提出了一个热力学循环的驱动蛋白，强调机械和调节作用的颈部连接器和澄清有关的问题的电机方向性，和外部失速力和内部张力之间的差异负责的头-头协调。驱动蛋白和宏观热机的热力学循环之间的比较突出了结构变化作为生物分子机器中工作产生的来源的重要性。
2011-11-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Shock of three-state model for intracellular transport of kinesin KIF1A
最近，提出了一种三态模型来描述非常规（单头）驱动蛋白KIF 1A的细胞内交通[Phys. Rev. Lett. { \bf 95}，118101（2005）]，其中每个马达可以强或弱地结合到其微管轨道，并且轨道的每个结合位点可以是空的或被一个马达占据。与通常的两态模型，即带有运动分离和附着的完全非对称简单排斥过程（TASEP）一样，在系统的稳态下，该三态模型也表现出激波（或分隔高密度相和低密度相的畴壁）和边界层。本文利用平均场分析方法，从理论上得到了激波和边界层存在的条件。结合数值计算，对激波的性质进行了研究。本研究将有助于理解驱动蛋白KIF 1A集体运输的生物物理特性。
2011-05-16 physics.bio-ph q-bio.SC
Kinesin Motors and the Evolution of Intelligence
智力经常被讨论为大脑皮层的神经网络，其进化可能受到达尔文选择的影响。在这里，我们提出的分子证据表明，许多驱动蛋白马达之一，Kif14，已经演变成在其氨基酸序列中表现出特殊的功能，可以进化到改善神经网络。通过比较12个物种的Kif14序列来量化改进。其特点是基于几个亲水尺度的水波剖面中疏水极值的水平集。最有效的尺度是基于分形的新尺度，表明球状曲率接近自组织临界性。
2021-01-04 physics.bio-ph q-bio.MN
Localization of a microtubule organizing center by kinesin motors
微管（MT）电机Kip 3 p是非常进行性的驱动蛋白，促进灾难和暂停，特别是在皮质接触。这些特性解释了Kip 3 p在定位芽殖酵母中的有丝分裂纺锤体中的作用，以及驱动蛋白-8家族成员控制的潜在其他过程。我们提出了一种理论方法来定位的MT网络在一个小区。为了探索潜在的机制，我们介绍了一个理想化的系统，两个MT连接的微管组织中心（MTOC）。Kip 3 p的动力学模型由相互作用的随机粒子，这使我们能够研究空间限制下电机诱导解聚的影响。我们发现，本地化在系统的中间实现的参数制度，在MT上的电机密度增加与距离的MTOC。在不对称位置的本地化也是可能的，通过调整驱动蛋白输入速率在MT负端或附着率取决于不同的隔室的细胞。
2017-03-23 cond-mat.stat-mech nlin.CG physics.bio-ph
Internal strain regulates the nucleotide binding site of the kinesin leading head
在ATP存在下，驱动蛋白通过交替结合微管蛋白结合位点上的两个运动域沿微管原丝运动。由于驱动蛋白的持续合成能力远高于其他马达蛋白，因此推测两个单体之间存在变构调节机制。最近的实验表明，ATP结合到驱动蛋白中的前导头部结构域是由建立在颈连接器上的向后应变调节的。我们测试这一假设明确建模的$C_α$为基础的驱动蛋白结构，其两个电机域上的微管蛋白结合位点的约束。驱动蛋白在微管上的平衡结构分别表现为前导头和拖尾头的无序和有序的颈连接构型。两个头部之间的结构的比较表明，几个天然的接触存在于核苷酸结合位点的前导头部是完整的比那些在结合位点的后端。从该比较中获得的天然接触的网络提供了内部张力传播途径，其导致前导头部中的核苷酸结合位点的破坏。根据高分子理论，我们估算了颈链上的内张力为f~（12-15）pN。这两个结论都支持了实验假设。
2007-02-07 physics.bio-ph q-bio.BM
On the motion of kinesin in a viscoelastic medium
驱动蛋白是一种沿微管运输货物的分子马达。动力学模型\cite{Clancy11}描述了许多关于驱动蛋白-1的{ \it in vitro}实验的结果，其中一个转变对应于拴系的运动头的向前运动和随后的结合。我们认为，在一个粘弹性介质中，如细胞的胞质溶胶，这一步是不马尔可夫的，必须描述一个非指数的等待时间分布。我们引入一个半马尔可夫动力学模型驱动蛋白，考虑到这种效果。对于任意的等待时间分布，我们计算所做的步数的矩母函数，并由此确定电机的平均速度和扩散常数。我们说明了我们的结果的情况下，等待时间分布是威布尔。我们发现，对于现实的参数值，粘弹性降低的速度和扩散常数，但增加的随机性（或范诺因子）。
2017-10-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
A Brownian Dynamics Model of Kinesin in Three Dimensions Incorporating the Force-Extension Profile of the Coiled-Coil Cargo Tether
驱动蛋白家族的马达蛋白参与多种细胞过程，运输物质和产生力。随着实验技术的最新进展，例如可以探测单个分子的光镊，人们越来越感兴趣地了解马达蛋白将化学能转化为机械功的机制。在这里，我们提出了一个数学模型的化学和三维力学的驱动蛋白马达蛋白，它捕获了许多力依赖的功能的电机。对于将货物附着到马达的系绳的弹性，我们开发了一种方法，用于从光阱数据导出非线性力-延伸关系。对于驱动蛋白头，货物，和显微镜阶段，我们制定了一个三维布朗动力学模型，考虑到排除体积相互作用。为了有效地计算统计数据的模型的算法，提出了使用两步协议，该协议分离的模型的化学动力学的模型的机械特征的模拟。利用该方法计算了马达输送的小球的力相关平均速度和随机参数，并与实验数据进行了比较。
2009-10-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Application of the fluctuation theorem to motor proteins: from F1-ATPase to axonal cargo transport by kinesin and dynein
涨落定理是20世纪90年代非平衡态统计物理学中的一个代表性定理。与非平衡态中的熵产生有关，该定理已被用来从运动中的涨落估计马达蛋白质的驱动力。在这篇评论中，使用波动定理在实验中的马达蛋白质的生物学家，特别是那些谁研究机械生物学，其中力的测量是一个中心问题。首先介绍涨落定理在旋转马达蛋白F1-ATP酶旋转力矩测量中的应用。接下来，作为该应用的扩展，介绍了最近的试验，该试验估计了微管马达驱动蛋白和动力蛋白在体内货物运输过程中产生的力。阐明这种运输的物理机制是重要的，特别是对于神经元，其中货物运输的缺陷与神经元疾病密切相关。最后，对涨落定理作为神经科学领域的一项新技术的前景进行了讨论。
2018-07-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Kinesin as an electrostatic machine
驱动蛋白和相关的马达蛋白利用ATP燃料以进行性和定向的方式沿着微管的外表面推进它们自己。我们表明，所观察到的阶梯状运动是可能的，通过随时间变化的电荷分布提供的ATP水解循环，而微管上的静电荷配置提供了运动的指导。因此，虽然化学水解能诱导适当的局部构象变化，电机平移能基本上是静电。力学运动方程的数值模拟表明，持续性和方向性的驱动蛋白和微管的不同电荷分布之间的ATP依赖的静电相互作用的直接后果。
2006-10-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Effect of microtubule-associated protein tau in dynamics of single-headed motor proteins KIF1A
基于分子马达的细胞内转运及其调控对细胞的功能至关重要。细胞的丝状轨迹被大量的非运动微管相关蛋白（如tau）装饰。受驱动蛋白-tau相互作用的实验的启发[Dianjin等人，Science 319，1086（2008）]，我们开发了相互作用的单头马达蛋白KIF 1A的随机模型，该模型也考虑了马达蛋白和tau分子之间的相互作用。我们的模型重现实验观察和预测的结合时间和运行长度，这表明一个重要的作用，tau蛋白在调节驱动蛋白为基础的运输的tau蛋白的显着影响。
2013-02-11 physics.bio-ph q-bio.SC
How occasional backstepping can speed up a processive motor protein
在ATP水解的推动下，运动蛋白驱动蛋白实际上是用两条腿沿着生物聚合物微管行走。考虑到ATP水解所提供的自由能，驱动蛋白所采取的意外后退的数量似乎比人们所预期的要大得多。这是令人困惑的，因为超过10亿年的自然选择应该优化了马达蛋白的速度和效率。但越往后推，就越能产生更多的熵。这种熵的产生将使自由能可用。有了这个额外的自由能，驱动蛋白的催化循环可以加速。我们将展示如何测量的后退百分比代表一个最佳的最大净前进速度。
2008-04-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Energy Conversion, Fluctuation Suppression, and Information Transfer in the Thermodynamic Performance of Kinesin
The University of Osaka（大阪大学）
研究驱动蛋白热力学性能，通过构建两态模型，推导并比较多种效率的解析表达式与模拟结果，发现其效率低，说明仅热力学效率不能完全表征驱动蛋白性能，需进一步研究互补动力学观点。
2026-07-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Discrete step sizes of molecular motors lead to bimodal non-Gaussian velocity distributions under force
生物机器物理特性的波动与其功能有着千丝万缕的联系。通过单分子技术可以得到进行性分子马达（如驱动蛋白1）的行程和速度分布，但目前还没有一个严格的理论模型来描述这些概率。我们推导出精确的分析结果的动力学模型来预测的阻力（$F$）依赖的速度（$P(v)$）和运行长度（$P(n)$）分布函数的通用双处理分子马达，采取向前和向后的步骤上的轨道。我们的理论定量地解释了零力驱动蛋白-1数据$P(n)$和$P(v)$使用的唯一参数的脱离率，从而使我们能够获得这些量的变化负载。在非零$F$处，$P(v)$是非高斯的，并且是双峰的，峰值在$v$的正值和负值处。$P(v)$是双峰的预测是驱动蛋白-1的离散步长的结果，并且即使考虑步长分布时仍然存在。虽然预测是基于驱动蛋白-1的数据分析，我们的结果是一般的，应该持有任何进行电机，走在一个轨道上采取离散的步骤。
2016-04-01 cond-mat.stat-mech 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
Biophysics of filament length regulation by molecular motors
调节物理尺寸是生物有机体必须解决的一个基本问题，从亚细胞到有机体尺度，但人们还不清楚生物体使用什么物理原理和机制来感知和调节它们的尺寸。任何生物物理的大小调节方案都在嘈杂的环境中运行，并且必须对其他细胞动力学和波动具有鲁棒性。这项工作发展的细丝长度调节理论的灵感来自最近的实验驱动蛋白-8马达蛋白，移动方向的偏见微管细丝和改变微管动力学。纯化的驱动蛋白-8马达可以使化学稳定化的微管脱髓鞘。在长度依赖性解聚模型中，解聚速率倾向于随着细丝长度增加而增加，因为长细丝在其尖端积累更多马达，因此缩短得更快。当与恒定的长丝生长速率平衡时，这种机制可以导致固定的聚合物长度。然而，驱动蛋白-8马达影响细胞中动态微管长度的机制尚不清楚。我们研究了更生物现实的问题，微管动态不稳定性调制的电机依赖性增加的细丝灾难频率。这导致平均长丝长度的显著减小和长丝长度分布的变窄。这些结果提高了我们对细胞长度调节的生物物理学的理解。
2013-02-13 physics.bio-ph q-bio.SC
Reconstructing the free-energy landscape associated to molecular motors processivity
我们提出了一个生化模型，提供动力学和能量描述的持续动力学驱动蛋白和dinein分子马达。我们的方法是一个众所周知的模型描述驱动蛋白动力学的修改版本，并认为ADP的竞争性抑制反应的存在。我们首先重建一个连续的自由能景观的循环催化剂的过程，使我们能够计算的步骤数由一个单一的分子马达。然后，我们计算了与时间和ATP浓度有关的分子马达的平移速度和停止时间的解析表达式。一个充满活力的解释电机的持续合成能力进行了讨论，通过使用实验数据的定量形式。我们还预测的集体过程，同意实验报告的持续时间。
2012-05-16 physics.bio-ph q-bio.SC
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
Kinesin Is an Evolutionarily Fine-Tuned Molecular Ratchet-and-Pawl Device of Decisively Locked Direction
传统的驱动蛋白是一种二聚体的马达蛋白，其将膜性细胞器运输到微管（MT）的正端。单个驱动蛋白二聚体显示出稳定的方向性和数百个连续的步骤，但详细的物理机制仍不清楚。在这里，我们计算自由能为整个二聚体MT系统的所有可能的相互作用的配置，充分考虑到分子的细节。仅仅采用第一性原理和几个测量的结合能和势垒能，系统级的分析揭示了无法克服的配置之间的能量差距，机械解除构型简并引起的不对称基态，和禁止的过渡，确保两个电机域之间的协调交替催化。这种丰富的物理效应将驱动蛋白二聚体转化为分子棘轮和棘爪装置，其确定地将二聚体的运动锁定在MT加端中，并确保在双手交替步态中的连续步骤。然而，在一定范围的极端负荷下，棘轮和棘爪装置变得有缺陷，但并没有完全废除以允许连续的后退。这项研究得到了定量的证据，驱动蛋白的多种分子特性已经进化适应微调棘轮和棘爪装置，以确保电机的杰出性能。
2009-07-10 physics.bio-ph
Non-invasive force measurement reveals the number of active kinesins on a synaptic vesicle precursor in axonal transport regulated by ARL-8
驱动蛋白超家族蛋白<$104是驱动蛋白3家族的一员，主要转运突触囊泡前体（SVP）。在这项研究中，有活性的α-104分子牵引一个单一的SVP在蠕虫秀丽隐杆线虫轴突的数量进行了计数，通过应用一种新开发的非侵入性的力测量技术。作用在由α-104运输的SVP上的力的分布分散在几个簇中，这意味着存在几个力产生单元（FPU）。然后，我们比较了野生型蠕虫与arl-8基因缺失突变体蠕虫中FPU的数量。ARL-8是一种SVP结合的arf样小鸟苷三磷酸酶，已知可促进马达自身抑制的解锁，这对于避免马达不与SVP结合时三磷酸腺苷的不必要消耗至关重要。在arl-8突变体蠕虫中存在较少的FPU。这一发现表明，缺乏ARL-8减少了活跃的ESTA-104马达的数量，从而导致负责SVP运输的马达数量减少。
2018-02-28 physics.bio-ph
Flagella-like beating of a single microtubule
驱动蛋白马达可以在具有固定负端的微管中诱导屈曲不稳定性。在这里，我们表明，通过修改表面的蛋白质排斥功能化和使用集群的驱动蛋白电机，微管可以表现出持续的振荡运动，类似于精子鞭毛的跳动。所观察到的周期是1分钟的顺序。从实验图像，我们理论上确定的电机力的分布，解释所观察到的形状，使用极大似然的方法。一个很好的协议，实现了少量的电机集群同时作用于微管。由簇施加的切向力大多在朝向微管负端的0 - 8 pN范围内，表明1或2个驱动蛋白马达的作用。横向力呈对称分布，主要集中在10 pN以下，而横向速度在零附近有一个很强的峰值。与众所周知的模型，扑动丝，驱动蛋白被发现有一个强大的“钉扎”的影响上的跳动丝。我们的研究结果提出了新的策略，利用分子马达的动态角色，敏感地依赖于在系统中建立的应力。
2019-03-23 physics.bio-ph
The relevance of neck linker docking in the motility of kinesin
传统的驱动蛋白是一种运动蛋白，它能够沿着微管蛋白质。驱动蛋白的步进运动和力产生的确切机制仍然很不清楚。在本文中，我们认为，颈部连接器对接是这种机制的一个关键因素，没有它的实验观察到的停留时间的步骤不能解释在很大范围内的负载力。我们还表明，实验数据施加非常严格的约束的长度的颈部连接器和它的对接部分，这是兼容的驱动蛋白的已知结构。
2008-04-21 physics.bio-ph q-bio.BM
Mpemba effect in a chemomechanical model of the Kinesin molecular motor
The Institute of Mathematical Sciences（马修马提科学院）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国立研究所）
该研究证实驱动蛋白分子马达的六态化学力学模型中存在姆佩姆巴效应，发现马达速度弛豫反映其随机动力学的反常弛豫，为研究生物体内反常弛豫提供了新的基线与框架。
2026-07-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Information flow, Gating, and Energetics in dimeric molecular motors
属于驱动蛋白和肌球蛋白超家族的分子马达通过一系列化学状态循环来水解ATP。这些细胞质马达是由两个连接的相同单体球状蛋白质组成的二聚体。在ATP水解产生的自由能的推动下，马达在极性轨道（微管或丝状肌动蛋白）上行走，这意味着只有一个头部分离并执行机械步骤，而另一个保持与轨道结合。因此，一个马达头必须调节另一个马达头的化学状态，称为“门控”，这是一个尚未完全理解的概念。受实验的启发，表明只有一小部分的能量从ATP水解用于推进驱动蛋白电机对负载，我们证明了额外的能量用于协调的化学循环的两个头在二聚体-一个功能，特点门控。为此，我们开发了一个通用的框架，基于信息理论和随机热力学，并建立门控可以量化的电机头之间的信息流。该理论的应用驱动蛋白-1和Myosin V表明，信息流发生，具有积极的协同性，在外部电阻负载小于一个临界值，$F_c$。当力超过$F_c$时，有效信息流停止。有趣的是，$F_c$，这是通过ATP水解产生的输入能量的独立性，与力的向后步骤的概率开始增加。我们的研究结果表明，运输效率是最佳的，只有在力小于$F_c$，这意味着这些电机必须在低负荷下运行$\textit{in vivo}$条件下。
2022-03-18 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Traffic of single-headed motor proteins KIF1A: effects of lane changing
KIF 1A驱动蛋白是单头马达蛋白，其在称为微管（MT）的圆柱形纳米管上移动。一个正常的MT由13个原丝组成，其上等间距的运动结合位点形成周期性阵列。因此，MT上驱动蛋白的集体运动类似于多车道高速公路上的车辆交通，其中每个原丝是单车道的模拟物。换道是否增加或减少每车道的电动机流量？我们通过适当扩展最近的模型[{ \it Phys. Rev. E { \bf 75}，041905（2007）}]来解决这个基本问题。通过对这个扩展模型进行分析计算和计算机模拟，我们预测，每车道的流量可以增加或减少与车道变化的速度增加，这取决于马达的浓度和ATP的水解率，“燃料”分子。原则上，我们的预测可以通过用荧光标记的KIF 1A分子进行{ \it in-vitro}实验来检验。
2008-04-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Dynein catch bond as a mediator of codependent bidirectional cellular transport
微管细丝上货物的细胞内双向运输是通过反向动力蛋白和驱动蛋白马达的集体作用实现的。实验已经发现，在某些情况下，抑制一种类型的运动的活动导致细胞货物在两个方向上的运动性的总体下降。这种违反直觉的观察，被称为{ \em相互依赖悖论}，与现有的反向马达之间的机械拔河范式不一致。与驱动蛋白不同，动力蛋白马达表现出捕获结合，其中这些马达的解结合速率随着作用在它们上的力的增加而降低。在一个理论模型中阐明动力蛋白的这种捕获结合行为，我们表明，两种马达物种的功能分歧表现为一种内部调控机制，并导致生物相关制度中的相互依赖的运输行为。利用解析方法和随机模拟，我们分析了连续性的特点和概率分布的运行时间和暂停时间的运输细胞货物。我们发现，捕捉键合可以大大改变的传输特性，也提供了一个合理的解决方案的悖论的相互依赖。
2019-08-13 physics.bio-ph q-bio.SC
The intrinsic load-resisting capacity of kinesin
传统的驱动蛋白是一种同源二聚体马达蛋白，能够沿着细胞骨架丝单向行走。虽然以前的实验表明，不屈的单向性对相反的负载，所谓的失速力，最近的实验还观察到有限的超失速负载下的过程后退。这项理论研究旨在阐明驱动蛋白的步骤，可能被施加到二聚体的外部负载的全范围内的分子力学基础。我们发现，驱动蛋白的负荷抵抗能力在很大程度上是由二聚体固有的协同棘轮和棘爪机制。这种内部分子机械机制的负载敏感性是驱动蛋白对各种水平的外部负载的响应的基础。该机制的计算实现使我们能够合理化的主要趋势实验观察驱动蛋白的僵局和连续的后退步骤。该研究还预测了驱动蛋白的负荷影响运动的几个明显特征，这似乎是违反直觉的，但很容易通过未来的实验验证。
2009-07-09 physics.bio-ph
Collective dynamics of molecular motors pulling on fluid membranes
从理论上研究了$N$弱耦合过程分子马达的集体动力学。我们表明，使用离散晶格模型，速度-力曲线强烈依赖于电机之间的有效动态相互作用，并从一个简单的平均场预测显着不同。如果$N$足够大，则它们基本上独立于$N$。对于强偏置马达，如驱动蛋白，如果$N\gtrsim 5$。对两态模型的研究表明，内态的存在可以诱导有效的相互作用。
2005-12-08 physics.bio-ph q-bio.SC
Statistical Properties of Autonomous Flows in 2D Active Nematics
我们研究了一个可调的二维有源液晶的动力学微管和驱动蛋白马达组成的限制在油-水界面。驱动蛋白马达通过ATP水解向系统中持续注入机械能，为相邻微管的相对微观滑动提供动力，从而产生宏观尺度的自主流动和混沌动力学。我们使用粒子图像测速技术来量化二维流动的主动向列相，并提取其统计特性。与流体动力学理论一致，我们发现包含混沌流的涡旋区域呈指数分布，这使我们能够提取特征系统长度尺度。我们探测这个长度尺度对ATP浓度的依赖性，ATP浓度是调节主动应力大小的实验旋钮。我们的数据表明，ATP浓度和主动应力之间的映射是基于Michaelis-Menten动力学，管理个别驱动蛋白电机的运动。
2019-09-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Collective effects in intra-cellular molecular motor transport: coordination, cooperation and competetion
分子马达不能单独工作{ \it in-vivo}。我们强调了一些协调，合作和竞争，决定了在真核细胞中的分子马达的集体属性。在交通样运动的汽车在轨道上的背景下，我们强调的重要性，单电机的生化循环和酶的活动，他们的集体时空组织。我们的建模策略是基于一个合成-相同的模型描述了单电机机械化学在足够低的密度，而在较高的密度，它占集体流动性能和密度分布的电机。我们考虑两个具体的例子，即交通的单头驱动蛋白马达KIF 1A的微管轨道和核糖体交通的信使RNA轨道。
2006-05-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Maximum power operation of interacting molecular motors
我们研究了不同的交通模型的驱动蛋白，这是相关的生物和实验背景下的机械和热力学性质。我们发现，电机-电机的相互作用发挥了根本性的作用，通过提高电机的最大功率的热力学效率，相比，非相互作用的系统，在广泛的生物相容的情况下。我们进一步考虑的情况下，电机-电机的相互作用直接影响的内部化学循环和系统动力学和热力学的影响进行调查。
2013-07-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Intra-cellular transport of single-headed molecular motors KIF1A
受单头驱动蛋白KIF 1A实验的启发，我们建立了一个由相互作用的分子马达进行细胞内转运的模型。它不仅明确地捕捉到ATP水解的影响，而且还捕捉到驱动单个马达的棘轮机制。我们的模型占实验观察到的单分子性能在低密度极限，并预测一个相图，显示了水解和朗缪尔动力学的集体时空组织的电机的影响。最后，我们提供了在我们的{ \it in-vitro}实验中使用荧光标记的KIF 1A的域壁的存在的实验证据。
2005-09-07 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Evaporation-Induced Pattern Formation and Wetting in Active Microtubule-Kinesin Droplets
Harvard University（哈佛大学）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；University of Surrey（萨里大学）；Universität Konstanz（康斯坦茨大学）
本研究通过实验和理论结合的方法，揭示了蒸发过程中微管-肌动蛋白滴状体的自组织行为及湿性特征，揭示了交叉链接与主动应力在调控系统动态中的关键作用。
2026-02-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Spatiotemporal patterning of extensile active stresses in microtubule-based active fluids
主动应力，这是集体产生的运动消耗能量的棒状成分，产生混乱的自主流动。在空间和时间上控制主动应力是控制可伸展的主动流体的内在混沌动力学的必要前提。我们设计的单头驱动蛋白分子马达，表现出光学增强集群，从而使精确和可重复的空间和时间控制的可扩展的主动应力。这种马达能够在流动状态和静止状态之间快速、可逆地切换。反过来，时空图案的主动应力控制无处不在的弯曲不稳定性的可伸展的活性流体的演变，并确定其临界长度的依赖性。将光学控制的簇与传统的驱动蛋白马达相结合，能够一次性地从收缩性主动应力切换到伸展性主动应力。这些结果开辟了一条道路，对主动流体产生的自主流动的实时控制。
2022-09-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Cooperation and competition in the collective drive by motor proteins: Mean active force, fluctuations, and self-load
本文研究马达蛋白集体驱动生物丝的动力学，通过解析与模拟揭示平均力与涨落规律，并发现马达蛋白竞争产生的自负载影响丝运动。
2023-05-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
On the kinetics that moves Myosin V
分子马达蛋白，如肌球蛋白V、动力蛋白或驱动蛋白，不是棘轮，至少不具有闪烁的不对称电位;关键的不对称性在于动力学活动。我们明确的一个简单的马尔可夫模型，强调动力学（和非热力学）方面的随机运输。分析表明，存在的波动对称性的动力学活动，这是反对称下的尾随和领先的头的电机反转的一部分。电机运动的方向由它决定。
2014-12-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A Simple Experimental Model to Investigate Force Range for Membrane Nanotube Formation
活细胞中膜小管的存在对于许多生物过程是必不可少的。在细胞中，形成纳米尺寸的脂质小管的一种机制是通过分子马达诱导的双层提取。在本文中，我们描述了一个简单的实验模型，以调查所需的力量，脂质管形成使用驱动蛋白马达锚定DOPC囊泡。以前的相关研究使用分子马达主动拉动膜以提取纳米管。在这里，我们反转系统的几何形状，分子马达被用作静态锚连接DOPC囊泡的二维微管网络和外部流被引入到产生纳米管的阻力促进。我们发现，约7 pN的拖曳力足以用于半径为1至2 μ m的囊泡的小管提取。通过我们的方法，我们发现由单个分子马达产生的力足以从球形脂质囊泡中提取膜小管。
2016-10-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Cooperation of myosin II in muscle contraction through nonlinear elasticity
本研究通过整合颈部连接器的非线性弹性，构建单马达与多马达组合模型，揭示了肌球蛋白II在肌肉收缩中的协同机制，发现其负荷分担能力增强，并阐明了负荷与ATP浓度对效率及输出功率的影响。
2023-06-19 physics.bio-ph q-bio.SC
Catch bond mechanism in Dynein motor driven collective transport
最近的实验表明，动力蛋白马达表现出捕获键合行为，其中单个动力蛋白的解键速率随着力的增加而减小，对于一定范围的力。受这些实验的启发，我们提出了一个模型，捕捉绑定动力蛋白使用阈值力键变形（TFBD）模型，其中捕捉绑定集在超过一个临界施加的负载力。在此模型框架内，我们研究了捕获结合对多个动力蛋白马达所携带的细胞货物的单向运输特性的影响。我们发现捕获键合可以导致运输特性的巨大变化，这与驱动蛋白驱动的单向运输形成鲜明对比，其中捕获键合是不存在的。我们预测，在某些条件下，蜂窝状货物的平均速度实际上可以随着施加的载荷的增加而增加。我们用捕获键强度和电机失速力参数空间中的速度剖面相位图来表征输运性质。这个相图产生的预测，可以通过适当的修改电机运输和绑定性能的实验访问。我们的工作需要重新审视现有的集体双向运输的细胞货物的动力蛋白在本文中描述的捕获键效应预计将发挥至关重要的作用的理论。
2016-02-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Microtubule-based active fluids with improved lifetime, temporal stability and miscibility with passive soft materials
我们已经开发了几个不同的模型系统的微管为基础的三维主动各向同性流体，并比较了它们的动力学和结构特性。这些流体的非平衡动力学由三种不同类型的驱动蛋白马达提供动力：进行性马达、非进行性马达和永久连接到微管骨架的马达。第四个修改使用特定的微管交联剂，而不是一个非特异性的depletant诱导成束。与以前开发的系统相比，每种新的活性流体配方都具有某些增强的特性。首先，将马达连接到微管骨架将流体的寿命从几小时延长到几天。此外，切换到非进行性马达显著地增加了主动动力学的时间稳定性，而使用特定的交联剂产生了可以结合其他被动软材料（诸如聚合物凝胶或液晶）的系统。这些新开发的模型系统将显着帮助和提高我们的能力，以量化不同的现象，在微管为基础的活性物质。
2018-11-12 cond-mat.soft 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
Physics of Transport and Traffic Phenomena in Biology: from molecular motors and cells to organisms
几乎在生物系统的所有层面都可以观察到类似于动物的集体运动。分子马达蛋白，例如驱动蛋白和动力蛋白，它们是真核细胞中几乎所有细胞内运输的载体，有时会遇到交通堵塞，表现为生物体的疾病。类似地，在最近的实验中也观察到在脊椎动物的细胞外基质的胶原纤维上移动的胶原酶MMP-1的交通堵塞。社会性昆虫如蚂蚁和白蚁在小径上的类似昆虫的运动，也许在我们的日常生活中更为熟悉。在过去的几年里，实验，理论和计算研究导致了对这些现象中所涉及的一般或共同物理原理的更深入的理解。特别是，非平衡统计力学的一些方法，由爱因斯坦，朗之万和其他人在近一百年前开创，成为定量分析这些交通类集体现象模型的强大理论工具，因为这些系统本质上远离平衡。在这篇综述中，我们批判性地审视了我们的理解的现状，暴露了现有方法的局限性，提到了开放的挑战性问题，并推测了在这个跨学科领域，物理学不仅满足化学和生物学，而且（纳米）技术的研究可能的未来方向。
2007-02-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Traffic phenomena in biology: from molecular motors to organisms
几乎在生物系统的所有层面都可以观察到类似于动物的集体运动。分子马达蛋白，例如驱动蛋白和动力蛋白，它们是真核细胞中几乎所有细胞内运输的载体，有时会遇到交通堵塞，表现为生物体的疾病。类似地，在最近的实验中也观察到在脊椎动物的细胞外基质的胶原纤维上移动的胶原酶MMP-1的交通堵塞。社会性昆虫如蚂蚁和白蚁在小径上的类似昆虫的运动，也许在我们的日常生活中更为熟悉。在过去的几年里，实验，理论和计算研究导致了对这些现象中所涉及的一般或共同物理原理的更深入的理解。特别是，非平衡统计力学的一些方法，由爱因斯坦、朗之万和其他人在近一百年前开创，后来成为定量分析这些类似交通的集体现象的模型的有力理论工具，因为这些系统本质上远离平衡。在这篇综述中，我们批判性地审视了我们的理解的现状，暴露了现有方法的局限性，提到了开放的挑战性问题，并推测了在这个跨学科领域，物理学不仅满足化学和生物学，而且（纳米）技术的研究可能的未来方向。
2008-01-16 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
