A molecular relay race: sequential first-passage events to the terminal reaction centre in a cascade of diffusion controlled processes
我们考虑一个连续级联的分子的第一反应事件的终端反应中心，其中每个反应步骤是由扩散运动的颗粒控制。这里研究的模型代表了在不同分子生物学系统中遇到的典型反应设置，其中，例如，信号转导通过一系列连续的“信使”进行：第一信使必须找到其各自的固定目标位点，从而触发第二信使的发射，第二信使寻找其自己的目标位点并引发第三信使的发射等等，类似于人类比赛中的接力赛。对于这样的分子接力赛发生在无限的一，二，三维系统中，我们发现精确的表达的概率密度函数的时刻的终端反应事件，条件是在一个有序的阵列上的目标站点上的先前成功的反应事件。所得到的表达式适用于最一般的条件：中间阶段的数量和相应的扩散系数，目标位置的大小，它们之间的距离，以及它们的反应性是任意的。
2021-10-12 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Confinement-Driven Acceleration of First-Passage Rates
该研究结合解析理论与模拟，发现受限几何结构可通过熵效应非单调地提升被动扩散的首次通过速率，为软物质和生物系统中的输运过程研究提供了新视角。
2025-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A first-passage approach to diffusion-influenced reversible binding: insights into nanoscale signaling at the presynapse
神经元之间的突触传递是由一系列随机反应扩散事件控制的，这些事件导致钙诱导的神经递质囊泡释放。由于这些系统的实验测量是具有挑战性的，由于其纳米和亚毫秒尺度，数值模拟仍然是研究钙依赖性突触囊泡融合的主要工具，尽管耗时的计算的限制。在本文中，我们开发了一个分析解决方案，以快速探索动态随机反应扩散问题，基于首次通过时间。这是第一个分析模型，同时占相关的统计特征的钙离子扩散，缓冲，其结合/解结合反应与囊泡传感器。特别是，解绑动力学显示出对钙传感器的占用概率在毫秒级上具有重大影响，因此不能被忽略。使用蒙特卡罗模拟，我们验证了瞬时钙内流和通过电压门控钙通道的解析解。总的来说，我们提出了一个快速和严格的分析工具来研究简化的反应扩散系统，允许在分子尺度上的生物物理参数的系统探索，同时正确地占细胞内的分子相互作用的统计性质，也可以作为一个积木更一般的细胞信号模拟器。
2020-11-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Reaction Pathways Based on the Gradient of the Mean First-Passage Time
寻找具有代表性的反应途径对于理解分子过程的机制是必要的，但被认为是极具挑战性的。我们提出了一种新的方法来构建反应路径的基础上平均首次通过时间。这种方法结合了所有可能的反应事件以及温度的影响的信息。该方法应用于连续和离散设置中的示例性反应。所建议的方法具有很大的希望，大型反应网络，其特征完全通过路径图的方法。
2002-08-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Exploring DNA translocation through a nanopore via a multiscale Lattice-Boltzmann Molecular-Dynamics methodology
多尺度方法用于模拟DNA通过纳米孔的移位。在该方案中，明确考虑了分子与周围流体（溶剂）的相互作用。通过生成各种初始构型和长度的聚合物，我们绘制了DNA通过纳米孔的通过时间的概率分布。一个标度律的行为，这些时间相对于长度的最有可能的推导，并显示出一个指数，这是在一个很好的协议与实验结果。探讨了DNA通过微孔时的动力学基本特征。
2007-02-21 physics.bio-ph
A molecular dynamics simulation of the abrupt changes in the thermodynamic properties of water after formation of nano-bubbles / nano-cavities induced by passage of charged particles
提出多尺度形式体系，通过分子动力学模拟揭示带电粒子穿过引发热尖峰导致纳米气泡形成与合并的机制，并引入成核时间延迟解释微气泡稳定性，预测其与FLASH超高剂量率及水发光光谱的关联。
2024-03-09 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Strong defocusing of molecular reaction times results from an interplay of geometry and reaction control
教科书中的扩散与动力学控制的概念是明确定义的反应动力学，涉及宏观浓度的扩散反应物，充分描述的速率常数-倒数的平均第一次反应时间的反应事件。相比之下，一个开放的重要问题是，是否平均第一次的时间是一个足够的措施，涉及纳摩尔反应物浓度的生化反应。在这里，使用一个简单而通用的，精确可解的模型，我们研究的阴谋影响的扩散和化学反应的限制，对整个反应时间分布。我们发现，它有一个复杂的结构与四个不同的制度界定的三个特征的时间尺度跨越几十年的窗口。因此，反应时间是散焦的：没有唯一的时间尺度表征反应过程，扩散和动力学控制不再能够被解开，并且必须知道完整的反应时间分布。我们介绍了几何和反应控制的概念，并通过计算相应的反应深度来量化每个政权。
2019-11-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
A First Passage Time Analysis of Atomic-Resolution Simulations of the Ionic Transport in a Bacterial Porin
我们研究了氯离子和钾离子在外部电场的影响下，在内部的OmpF孔蛋白的动力学。从广泛的全原子分子动力学模拟的系统的结果，我们计算了几个第一次通过时间（FPT）的数量来表征在通道的内部的离子的动力学。从MD模拟获得的FPT量表明，它是不可能描述的氯离子和钾离子的动态内的整个通道与一个单一的恒定的扩散系数。然而，我们表明，一个有效的，统计上严格的，描述在一个恒定的扩散系数D和一个有效的确定性的力Feff可以得到适当的细分后，在不同的区域的通道建议的X射线结构。这些结果对基于一维Poisson-Nernst-Planck（PNP）方程的通道简化描述具有重要意义。此外，熵势垒上的离子的扩散的效果进行了鉴定和简要讨论。
2010-11-17 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.data-an
Inference from gated first-passage times
针对观测受限或反应门控导致首次通过时间被掩盖的问题，提出无模型框架，由检测时间重建首次通过时间、物理参数及门控速率。
2023-04-04 cond-mat.stat-mech math.PR physics.bio-ph
First Passage Time in Computation by Tape-Copying Turing Machines: Slippage of Nascent Tape
DNA模板序列中化学编码的遗传信息的转录是由称为RNA聚合酶（RNAP）的分子机器进行的。新生RNA相对于DNA模板链的向后或向前滑动产生分别比相应模板长或短的转录物。我们将RNAP建模为“磁带复制图灵机”（TCTM），其中DNA模板是输入磁带，而新生RNA链是输出磁带。尽管TCTM总是向前推进，但该过程被假设为是随机的，即每单位时间有一个发生概率。TCTM在输入带上每次成功向前步进所需的时间是一个随机变量，在此期间，输出带由于向后或向前滑动而遭受$n$单位的延长或缩短;我们通过使用计算{ \it首次通过时间}分布的形式来报告此时间的一些统计特性。结果可能会发现应用程序的实验数据分析的“编程”转录错误所造成的转录滑移，这是一种模式的“重新编码”的遗传信息。
2017-04-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Target finding in fibrous biological environments
我们使用一个格子模型来研究目标发现事件通过复杂的环境与细长的纤维分布具有不同的各向异性和体积占有率的首次通过时间分布。对于各向同性系统和低密度的对齐的纤维，三维搜索是一个泊松过程的第一次通过时间呈指数分布的最可能的发现时间为零。在足够高的排列纤维密度下，细长通道出现，将动力学维度降低到一维。我们展示了通道的形状和大小如何改变首次通过时间分布及其短、中、长时间尺度的行为。我们开发了一个完全可解的模型合成矩形通道，它捕获的曲折的本地结构的细长通道，自然出现在我们的系统的影响。对于任意值的纤维取向的有序序参量，我们开发了一个映射到更简单的情况下，完全对齐的纤维在其他一些有效的体积占有率。我们的研究结果揭示了在复杂的纤维环境中生物细胞之间的生物分子的分子运输。
2020-08-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Universal proximity effect in target search kinetics in the few-encounter limit
扩散粒子何时第一次到达目标？首次通过时间（FPT）问题是化学和分子生物学中分子反应动力学的核心问题。在这里，我们解释了光滑FPT密度的行为，所有的时刻是有限的，并展示了普遍的，但一般非泊松长时间渐近的各种运输过程。虽然类泊松渐近性一般出现在目标附近存在有效斥力的情况下，但直接和反射间接轨迹之间的时间尺度分离引起了普遍的邻近效应：直接路径，从释放点到目标的方向或多或少是直的，变得典型和集中，相应的第一次通过时间的范围很窄。相反，统计上占主导地位的间接路径探索系统的大小往往是非常不同的。到靶点的初始距离特别影响基因调控或竞争性随机过程，对于这些过程，通常很少有结合事件决定调控结果。邻近效应与运输的细节无关，突出了这里揭示的FPT特征的鲁棒性。
2016-11-23 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Are hydrodynamic interactions important in the kinetics of hydrophobic collapse?
我们研究了不同疏水性的两个板的组装动力学，包括发生干燥和水强烈溶剂化板表面的情况。平均力和分子尺度的流体动力学的潜力计算从分子动力学模拟在明确的溶剂作为粒子分离的函数。与我们最近关于纳米球的工作[J.Phys.Chem.B116，378（2012）]一致，发现高摩擦区域由大而慢的溶剂波动产生。这些缓慢的波动可能是由于干燥或限制。通过在显式溶剂中的分子动力学模拟和沿反应路径的布朗动力学模拟计算了组装的平均首次通过时间，布朗动力学利用了我们确定的平均力势和流体动力学剖面。令人惊讶的是，我们发现合理的协议之间的全面分子动力学和布朗动力学，尽管缓慢的溶剂松弛在组装过程中的作用。我们发现，分子尺度的流体动力学相互作用是必不可少的描述组装动力学。
2012-08-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Towards a full quantitative description of single-molecule reaction kinetics in biological cells
首次通过时间（FPT），即，随机过程第一次达到给定阈值的时刻是具有直接应用的基本数学概念。特别是，它量化了生物细胞中的生物分子到达其特定结合位点并触发细胞调节的情况的统计。典型地，首次通过特性以平均首次通过时间给出。然而，现代实验现在监测活细胞中的单分子结合过程，从而提供对潜在的第一次传代事件的完整统计，特别是固有的细胞间波动。在这里，我们提出了一个强大的明确的方法来获得FPTs的分布到一个小的部分反应的目标在圆柱形环域，这代表了典型的细菌和神经元细胞的形状。我们研究了FPT分布的各种渐近行为，并表明它在许多生物学情况下通常是非常广泛的：因此，平均FPT可以从最可能的FPT的数量级不同。最可能的FPT强烈地依赖于几何形状内的起始位置，并且几乎独立于目标的大小和反应性。这些研究结果表明，知道FPT的全部分布的戏剧性的相关性，从而打开了新的视角，更可靠地描述了许多细胞内的过程开始由一个或几个生物分子到达一个小的，空间上局部化的区域内的细胞。
2018-11-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Accelerated estimation of long-timescale kinetics by combining weighted ensemble simulation with Markov model "microstates" using non-Markovian theory
加权系综（WE）模拟策略提供了无偏采样的非平衡过程，如分子折叠或绑定，但提取的速率常数依赖于表征稳态行为。不幸的是，足够复杂的复杂系统的WE模拟将不会放松到稳定状态的观测模拟时间。在这里，我们表明，一个后模拟聚类的分子配置到“microbins”使用马尔可夫状态模型（MSM）社区开发的方法，可以产生无偏动力学从WE数据之前，稳态收敛的WE模拟本身。由于WE轨迹是定向的，而不是均衡分布的，因此可以使用历史增强MSM（haMSM）公式，该公式对于任意小的滞后时间产生无偏差的平均首次通过时间（MFPT）。精确的动力学可以得到，而绕过往往禁止收敛要求的非平衡加权合奏。我们验证了一个简单的扩散过程中的二维随机能量景观的方法，然后分析原子蛋白质折叠模拟使用我们分子动力学。我们报告了无偏估计蛋白质折叠时间和途径的重大进展，但仍然存在关键挑战。
2020-10-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
