Stochastic dynamics and mechanosensitivity of myosin II minifilaments
组织细胞处于主要由肌球蛋白II微丝维持的永久机械张力状态，肌球蛋白II微丝是数十个肌球蛋白II分子马达收缩肌动蛋白网络和束的双极组件。在这里，我们介绍了一个随机模型肌球蛋白II微丝作为两个小肌球蛋白II电机合奏从事随机拔河。这两个集合中的每一个都是由平行簇模型描述的，该模型允许我们使用精确的随机模拟，同时保持肌球蛋白II跨桥周期的重要分子细节。我们的模拟和分析结果揭示了强烈的依赖性肌球蛋白II微丝动力学的环境刚度，这让人想起细胞反应基板刚度。对于小刚度，微丝形成瞬时交联，施加具有可忽略平均值的短峰值力。对于大的刚度，微丝形成几乎永久的交联，施加几乎不依赖于环境弹性的平均力。这种功能转换的出现是因为做功冲程后的分离被力（捕捉结合）抑制，并且因为合奏不再能在大的力下执行做功冲程。对称的肌球蛋白II微丝进行随机游走与有效的扩散常数，随着合奏大小的增加而减少，如刚性基板与分析处理。
2014-09-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic dynamics of small ensembles of non-processive molecular motors: the parallel cluster model
非进行性分子马达必须在整体中一起工作，以产生可感知的力或运动水平。例如，在骨骼肌中，数百个肌球蛋白II分子在粗丝中合作。相比之下，在非肌肉细胞中，只有几十个非肌肉肌球蛋白II马达的小群体有助于基本的细胞过程，如运输，形状变化或机械感应。在这里，我们介绍了一个详细的和易于分析的模型，这个重要的情况。使用一个三状态的过桥模型的肌球蛋白II摩托车和利用假设的快速动力冲程动力学和相等的负载之间的共享电机在等效状态，我们减少了随机反应网络的绑定和非绑定动力学（并行集群模型）的一步主方程，并推导出合奏运动的规则。我们发现，对于恒定的外部负载，合奏动力学是强烈塑造的捕获键字符的肌球蛋白II，这导致了负载下的绑定电机的比例增加，从而即使是小合奏牢固的附件。这种对负载的适应导致由Hill关系描述的凹的力-速度关系。对于由线性弹簧提供的外部负载，肌球蛋白II集合体动态地调整自身朝向具有恒定平均位置和负载的等长状态。现在，系综的动力学主要取决于马达在不同种类的束缚态上的分布。为了增加外部弹簧的刚度，有一个急剧的转变，超过这个转变，肌球蛋白II就不能再执行动力冲程。从预动力冲程状态缓慢松开可防止整体分离。
2013-10-17 physics.bio-ph q-bio.SC
A Python based automated tracking routine for myosin II filaments
研究细胞骨架网络中的运动蛋白动力学对物理学家和生物学家非常感兴趣，以了解单个运动的动力学和特性如何导致整体网络行为的协同效应和控制。在这里，我们报告了一种方法来检测和跟踪肌肉肌球蛋白II丝内的肌动蛋白网络拴支持脂质双层。基于肌球蛋白II细丝的特征形状，这种自动跟踪程序使我们能够随着时间的推移跟踪肌球蛋白II细丝的位置和方向，并根据对时间步长之间的位移和角度变化的分析，将其动态可靠地分类为扩散和进行性运动的片段。这种自动化的高通量方法将使科学家能够有效地分析不同条件下的电机动力学，并将获得比普通跟踪方法更详细的信息，而无需耗时的手动跟踪或生成记波图。
2020-01-27 physics.bio-ph q-bio.QM q-bio.SC
Actin reorganization throughout the cell cycle mediated by motor proteins
皮质肌动蛋白网络是高度动态的，在塑造细胞的机械特性中起着关键作用。肌动蛋白细胞骨架经历了显着的重组过程中的细胞周期，当皮质肌动蛋白之间的开放补丁网状结构，均匀分布，并对齐束的过渡。几种类型的肌球蛋白马达蛋白，其特征在于不同的动力学参数，已参与这种肌动蛋白丝的重组。鉴于在体内研究肌动蛋白与肌球蛋白的相互作用的局限性，我们提出了随机代理模型模拟和开发一套数据分析措施，以评估肌球蛋白马达蛋白如何介导各种肌动蛋白组织。特别是，我们确定个别电机参数，如电机结合率和步长，产生肌动蛋白网络与不同水平的收缩性和不同模式的肌球蛋白电机定位。在模拟中，具有不同动力学参数的两个电机种群与相同的肌动蛋白网络相互作用，我们发现，电机可能会以互补的方式发挥作用，通过调整肌动蛋白网络的组织，或以拮抗的方式，其中一个电机出现为主导。这种建模和数据分析框架还揭示了参数制度之间的运动人群的空间隔离实现。通过允许肌动蛋白-肌球蛋白动态模拟过程中动力学速率的变化，我们的工作表明，某些肌动蛋白-肌球蛋白组织可能需要额外的调节，以重新配置实验观察到的时间尺度上的细胞骨架网络。
2021-07-30 q-bio.QM q-bio.SC
Force generation by Myosin II Filaments in Compliant Networks
肌球蛋白II亚型具有不同的机械化学和细丝大小与丝状肌动蛋白（F-肌动蛋白）网络相互作用，在细胞中产生收缩力。它们的特性如何在不同刚度的环境中控制力的产生还知之甚少。在这里，我们将文献值肌球蛋白II异构体的性质到一个跨桥模型。观察到类似的肌动蛋白滑动速度和力-速度曲线预期从以前的实验。电机力输出的弹性负载调节两个时间尺度-他们的附件F-肌动蛋白，这与合奏大小，电机占空比，和外部负载急剧变化，和力的建立，这与合奏失速力，滑翔速度，和负载刚度缩放。虽然这种调节不需要力依赖性动力学，但肌球蛋白捕获键在附着时间和力之间产生正反馈，以触发从短附着和小力到阈值参数值下的高力产生运行的开关式转变。代表骨骼肌肌球蛋白、非肌肉肌球蛋白IIB和非肌肉肌球蛋白IIA的参数分别揭示了不同的行为机制：（1）快速、低占空比马达的大型组件在大范围的环境刚度上快速建立稳定的力，（2）慢速、高占空比马达的集合用作高亲和力交联，其力建立时间超过生理时间尺度，以及（3）在中速下运行的低占空比电动机的小组件可以对机械环境的变化作出急剧响应--在低力或刚度下，它们用作低亲和力交联，但是它们可以通过上述正反馈机制转变为有效的力产生。这些结果揭示了肌球蛋白同种型的特性如何被调节以产生力并对环境中的机械提示做出反应。
2014-07-08 q-bio.SC
Mechanosensing in myosin filament solves a 60 years old conflict in skeletal muscle modeling between high power output and slow rise in tension
大约60年前，Andrew Huxley在他的开创性论文\cite{Huxley1957}中奠定了现代肌肉建模的基础，将化学事件与机械性能联系起来。他描述了肌肉收缩的力学和能量学，通过肌球蛋白马达与肌动蛋白丝的周期性附着和分离，并特别假设了速率常数对肌球蛋白马达应变的依赖性。这一相对简单的假设仍然存在于最近的模型中，即使有几个修改，以适应不同的实验约束，随后成为可用的模型。然而，在那篇论文中，模型的一个有争议的方面变得清晰起来。肌球蛋白与肌动蛋白丝的相对高的附着和脱离速率需要模拟在中等收缩速度下的高功率输出。然而，这些速率与激活后张力相对缓慢的上升不相容，尽管上升应该由相同的速率函数产生。这种差异至今尚未完全解决，尽管已经提出了一些假设来调和这两个方面。在这里，使用传统的肌肉模型，我们表明，最近发现的肌球蛋白马达\cite{Linarietal2015}的招聘mechanosensing机制可以解决这个长期存在的问题，没有任何进一步的特设假设。
2016-07-20 physics.bio-ph q-bio.QM q-bio.SC
Filament turnover is essential for continuous long range contractile flow in a model actomyosin cortex
在本文中，我们开发和分析了一个最小的模型，交联的肌动蛋白丝和肌球蛋白马达，代表真核细胞的皮质细胞骨架的2D网络。我们实现粗粒度的表示力生产肌球蛋白马达和应力消散通过一个有效的交联摩擦和细丝营业额。我们使用这个模型来表征如何持续生产的主动应力，和稳定的弹性应力耗散，分别取决于电机活动，有效的交联摩擦和长丝周转。然后，我们结合这些结果，深入了解微观网络参数如何控制运动活动的不对称分布所产生的稳态流。我们的研究结果提供了一个框架，了解如何局部调制收缩网络内的微观相互作用控制宏观量，如主动应力和有效粘度控制皮质变形和流动在细胞尺度。
2016-12-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
A Simple Kinetic Model Describes the Processivity of Myosin-V
肌球蛋白V是一种负责细胞器和囊泡运输的运动蛋白。最近的单分子实验表明，它是一个有效的进行马达，沿着肌动蛋白丝行走，平均步长接近36 nm。肌球蛋白-V运动的理论研究，提出了一种方法，成功地用于分析常规驱动蛋白的动力学，但也考虑到一些步长的变化。肌球蛋白-V目前的实验数据可以很好地描述了一个两态化学动力学模型与三个负载依赖性的速率。此外，分析预测的平均速度和随机性的变化-从均匀的，恒速运动的随机偏差的定量测量-与ATP浓度下的阻力和辅助负荷，并表示{ \it子}步骤的大小$d_{0} \simeq$ 13-14 nm（从ATP结合位点），似乎符合独立的观察。
2002-12-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Sensitivity of small myosin II ensembles from different isoforms to mechanical load and ATP concentration
基于一个详细的跨桥模型的个别肌球蛋白II电机，我们系统地研究了机械负荷和三磷酸腺苷（ATP）浓度的影响，小肌球蛋白II合奏从不同的亚型。对于骨骼肌和平滑肌肌球蛋白II，其通常用于重构细胞收缩性的肌动球蛋白凝胶中，快进运动被限制在具有低机械负荷和高ATP浓度的相空间的小区域，其特征还在于频繁的整体脱离。在高负荷下，这些集合体停滞或向后移动，但向前运动可以通过降低ATP浓度来恢复。相比之下，非肌肉肌球蛋白II亚型，这是在非肌肉细胞的细胞骨架中发现的小合奏，几乎不受ATP浓度的影响，由于结合状态的缓慢动力学。对于所有的亚型，合奏运动的热力学效率随着ATP浓度的降低而增加，但这种影响是弱的非肌肉肌球蛋白II亚型。
2016-11-09 q-bio.SC
Coarse-grained Stochastic Model of Myosin-Driven Vesicles into Dendritic Spines
我们研究了膜囊泡马达运输到树突棘的动力学，树突棘是神经元中的球状细胞内隔室，在神经元之间传递信号中起着关键作用。我们考虑在[Park and Fai，The Dynamics of Vesicles Driven Into Closed Constrictions by Molecular Motors. Bull.Math.Biol.82，141（2020）]。随机版本，这可能被认为是一个代理为基础的模型，主要依赖于个人肌球蛋白马达的行动，产生囊泡运动。为了帮助我们的分析，我们粗粒此代理为基础的模型，使用主方程结合偏微分方程描述的概率局部电机位置。我们确认通过收敛性研究，粗粒化捕获的速度（在实验中观察到的）和等待时间分布的双稳态的基本特征之间切换的稳态速度。有趣的是，这些结果使我们能够重新制定的易位问题的平均首次通过时间的运行和翻滚粒子移动在有限域的两端吸收边界。最后，我们提出的数值和分析计算的囊泡易位。
2022-04-08 q-bio.SC
Small-scale displacement fluctuations of vesicles in fibroblasts
细胞内环境是一个充满各种细胞器的动态空间，这些细胞器向各个方向移动。包括在这组不同的细胞器中的是囊泡，其参与分子货物在整个细胞中的运输。囊泡以定向或非定向方式移动，通常取决于与细胞骨架蛋白如微管、肌动蛋白丝和分子马达的相互作用。这些蛋白质如何影响细胞质中囊泡的局部波动尚不清楚，因为它们具有促进和阻碍运动的潜力。在这里，我们表明，囊泡的流动性显着影响肌球蛋白II，即使它不是一个货物运输马达。我们发现，肌球蛋白-II活性增加囊泡的有效扩散率和其抑制促进更长的非定向运动状态。我们的研究表明，改变肌球蛋白-II在细胞质中的活性可以调节囊泡的流动性，为细胞在空间和时间上动态调节细胞质环境提供了一种可能的机制。
2018-08-16 physics.bio-ph q-bio.SC
Muscle contraction and the elasticity-mediated crosstalk effect
分子马达的协同作用对许多细胞过程是必不可少的。一个可能的调节器的运动协调是弹性介导的串扰（EMC）肌球蛋白II马达之间的耦合，其起源是拉伸应力，它们共同产生的肌动蛋白丝。在这里，我们使用统计力学分析，以调查的影响，EMC效应的肌节-骨骼肌的基本收缩单位。我们表明，EMC效应导致的附件位于肌节的末端附近的电机的概率增加，而同时，在中央部分的电机的附件概率降低。这种极化的附着可能性会损害马达有效合作的能力。有趣的是，这种不希望出现的现象变得显着，只有当系统的大小超过了骨骼肌中的肌节，这提供了一个解释的显着缺乏肌节的变化在脊椎动物。我们研究的另一个现象是最近观察到的电机的占空比随着肌肉张力的增加而增加。我们发现，著名的希尔肌肉收缩方程是非常密切相关的这一观察。
2013-05-09 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Geometrical origins of contractility in disordered actomyosin networks
真核细胞内的运动主要来源于肌球蛋白马达在肌动蛋白丝支架上施加的局部力。虽然个别电机局部施加收缩力和伸展力，大肌动球蛋白结构在细胞尺度上是压倒性的收缩，这表明支架有利于收缩超过伸展。虽然这种机制在高度组织化的横纹肌中得到了很好的理解，但其在无序网络（如细胞皮质）中的起源尚不清楚。在这里，我们开发了一个数学模型的肌动蛋白支架的局部二维或三维力学，并确定四个竞争收缩机制。我们预测，一种机制占主导地位，从而局部变形的肌动蛋白打破收缩和伸展之间的平衡。在这种机制中，收缩力主要是由马达横向拉动细丝而不是纵向弯曲细丝产生的。这些发现揭示了最近的$\textit{in vitro}$实验，并为$\textit{in vivo}$发现的无数无序肌动球蛋白系统的收缩性提供了新的几何理解。
2014-07-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Phenomenological analysis of ATP dependence of motor protein
在这项研究中，通过进行性运动蛋白，包括传统的驱动蛋白，细胞质动力蛋白和肌球蛋白V的速度-力数据的现象学比较，我们发现，两个不同的ATP浓度的运动速度之间的比率几乎是不变的任何亚失速，超失速或负的外部负载。因此，马达的速度可以很好地近似为Michaelis-Menten式$V=\atp k(F)L/(\atp +K_M)$，其中$L$为步长，而$k(F)$为饱和ATP溶液中马达运动的一个机械化学循环的依赖于外部负荷的速率，该速率与$F$有关。亚失速、超失速和负外载荷下的Michaelis-Menten常数$K_M$的差异表明，尽管$k(F)$作为$F$的函数的表达可能对于任何外载荷$F$都是不变的，但这三种情况下发动机头部的ATP分子亲和力不同。通过拟合最近的实验数据，验证了这类Michaelis-Menten公式。
2011-08-09 math-ph math.MP physics.bio-ph
Ensemble velocity of non-processive molecular motors with multiple chemical states
我们研究了非进行性马达蛋白质的系综速度，描述了多种化学状态。特别地，我们讨论了速度作为ATP浓度的函数。即使是一个简单的模型，忽略了应变依赖性的过渡率，反向过渡率和弹性的非线性可以显示有趣的功能依赖性，这显着偏离经常假设的Michaelis-Menten形式。我们讨论如何在占空比的事件的顺序可以推断出从测量的依赖性。该模型还预测了速度逆转的可能性，在一定的ATP浓度，如果占空比包含几个相反方向的构象变化。
2014-09-27 physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic Ratcheting on a Funneled Energy Landscape is Necessary for Highly Efficient Contractility of Actomyosin Force Dipoles
目前对非肌肉细胞的无序肌动球蛋白网络中收缩性如何出现的理解仍然主要基于来自早期肌肉收缩性工作的直觉。然而，这种观点在很大程度上忽略了被动交联剂结合后的自由能增益，即使在没有主动波动的情况下，自由能增益也提供了朝向高度重叠的丝状状态的热力学驱动。在这项工作中，我们揭示了这一现象，表明被动交联剂，当考虑在两个反平行丝的情况下，产生明显的收缩力。然而，随着交联剂的结合自由能的增加，动力学停滞的急剧开始随之而来，大大降低了这种收缩机制的有效性，使得网络仅在其边界处具有弱抵抗张力的情况下收缩。我们已经进行了随机模拟阐明这一机制，其次是平均场处理，预测收缩力如何渐近规模小，大的结合能，分别。此外，当考虑一个积极的收缩丝对，非肌肉肌球蛋白II的基础上，我们发现，这些电机的非进行性的性质导致非常低效的力的产生，由于反冲滑动的重叠期间，当电机被解离。然而，我们发现，被动交联剂可以作为一个结构棘轮在这些未绑定的运动时间跨度，导致巨大的力放大。我们的研究结果揭示了生物活性物质中瞬时结合蛋白质的非平衡效应，如在非肌肉肌动蛋白细胞骨架中观察到的，表明高效的收缩力偶极子来自被动交联剂和主动电动机动力学的协同作用，通过棘轮机制在漏斗状能量景观上。
2017-05-23 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Force generation in small ensembles of Brownian motors
某些革兰氏阴性菌的运动是由IV型菌毛表面细丝的收缩介导的，这是感染性所必需的。收缩由强大的分子马达蛋白PilT提供动力，产生可以超过150 pN的非常高的力。马达机制的分子细节在很大程度上仍然是未知的，而其他特征已经被确定，例如PilT马达的环形蛋白质结构。由PilT系统产生的令人惊讶的高力激发了对分子马达中产生大力的模型研究。我们提出了一个简单的模型，涉及一个小合奏的电机子单元相互作用，通过变形的圆形骨干有限的刚度。该模型描述了电机亚基的扩散粒子在一个不对称的，时间依赖性的结合电位（闪烁棘轮电位），大致对应于ATP水解周期。我们计算力-速度关系的参数空间的一个子集，并探讨如何确定最大的力（失速力）的刚度，结合强度，合奏大小，和不对称程度。我们确定两个定性不同的制度的操作依赖于合奏大小和不对称之间的关系。在这两个制度之间的过渡，失速的力量依赖于非线性的电机子单元的数量。与没有相互作用的组分相比，我们发现了更高的效率和定性不同的力-速度关系。该模型捕捉到几个定性的功能在实验中获得的菌毛收缩力，如在低施加的力和不敏感的失速力的ATP浓度的变化，如大致恒定的速度。
2006-08-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Emergent Transport Properties of Molecular Motor Ensemble Affected by Single Motor Mutations
细胞内运输是真核细胞的一项基本功能，由马达蛋白（将化学能转化为动能的蛋白质）促进。已知马达蛋白以团队方式工作，使得细胞内货物能够长距离单向和双向运输。通常由改变单个运动特征的突变引起的潜在运输机制的破坏已知会导致神经退行性疾病。例如，驱动蛋白马达结构域在丝氨酸残基处的磷酸化与亨廷顿氏病有关，最近对磷酸化和拟磷酸化丝氨酸残基的研究表明单个马达失速力降低。在这篇文章中，我们报告了这种性质的突变对多个野生型和突变型马达所携带的货物运输特性的影响。结果表明，突变体与改变失速力量可能会决定平均速度和运行长度，即使他们是由野生型电机在合奏。结果表明，突变体获得竞争优势，并导致预期运行长度的增加时，货物上的负载是在附近的突变体的失速力或其失速力的倍数。本文的另一个贡献是发展了一种半分析方法来分析多种类型的多个发动机的货物运输。该技术使用各种绝对配置之间的转换速率来确定运载货物的马达的各种相对配置之间的转换速率。这使得能够精确计算平均速度和运行长度。它也可以用来引入各种单电机参数的改变，以模拟突变，并推导出这种改变对多个电机运输共同货物的影响。我们的方法是很容易实现的，我们提供了一个通用的软件包。
2016-03-25 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
