Stabilization of helical macromolecular phases by confined bending
通过广泛的复制交换模拟的通用粗粒度模型的螺旋聚合物，我们系统地研究了所有可能的螺旋相的柔性和半柔性的弹性聚合物与自相互作用下的扭转障碍的影响下的结构转变。竞争相互作用导致各种构象相，包括无序的螺旋排列，单螺旋和有序的三级螺旋束。最值得注意的是，我们发现，弯曲约束需要一个明确的分离和稳定的螺旋相。这有助于理解为什么半柔性聚合物如双链DNA倾向于形成明显的螺旋结构，而蛋白质通常在其三级结构中表现出丰富的螺旋结构，如螺旋束。
2015-09-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Polymer uncrossing and knotting in protein folding, and their role in minimal folding pathways
我们介绍了一种方法，用于计算在何种程度上链非交叉是重要的最有效的，最佳的轨迹或途径的蛋白质折叠。这涉及记录幽灵链的所有非物理交叉事件，并计算避免此类事件所需的最小非交叉成本。应用深度优先树搜索算法来找到折叠$α$、$β$、$α/β$和打结蛋白质的最小变换。在所有情况下，额外的非交叉/非交叉距离是幽灵链行进的总距离的一小部分。不同的结构类可以区分额外的不交叉距离的量，这种歧视的有效性进行了比较与其他序参数。可以看出，非交叉距离超过链长提供了结构和动力学类别之间的最佳区分。非交叉距离与链长的缩放意味着一个不可避免的交叉缠结为主的折叠机制足够长的链。我们进一步量化的最小折叠路径，通过收集的序列的uncrossing移动，这通常涉及腿，环，肘样uncrossing移动，并呈现这些移动的集合在展开的合奏作为一个多变换“对齐”。构建了共有最小途径，并示意性地显示了$α$、$β$和打结蛋白的代表性情况。重叠参数之间的途径定义，我们发现，$α$蛋白具有最小的重叠，表明不同的折叠途径，打结的蛋白质是高度约束，以遵循一个占主导地位的途径，和$β$蛋白介于两者之间。因此，我们已经展示了拓扑链约束如何在蛋白质折叠中诱导显性途径机制。
2012-11-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Micro helical polymeric structures produced by variable voltage direct electrospinning
直接近场静电纺丝用于在水中制备非常长的螺旋聚苯乙烯微纤维。螺旋的节距长度可以通过改变所施加的电压来控制，从而允许产生微弹簧和微通道。使用一种新的高频变压静电纺丝方法，我们发现的螺旋形成速度和比较实验屈曲频率的理论表达式的粘性和弹性屈曲。最后我们证明了这种新方法可以用来制备新的周期性微纳米结构。
2011-09-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Optimized Wang-Landau sampling of lattice polymers: Ground state search and folding thermodynamics of HP model proteins
粗粒度（格）模型在帮助破译蛋白质的物理或生物复杂性方面有着悠久的传统。尽管这些模型很简单，但是数值模拟通常在计算上要求很高，并且对有效算法的追求与模型本身一样古老。在前人工作的基础上进行了扩展[T. Wüst和D. P. Landau，《物理评论快报》102，178101（2009）]，我们提出了基于Wang-Landau采样结合有效的试验移动（拉动、键重桥接和枢轴移动）的Monte Carlo方法的完整图片，其特别适合于研究诸如蛋白质折叠的疏水极性（HP）晶格模型的模型。通过这种通用且全盲的蒙特卡罗程序，可以找到最困难的基准HP序列的所有当前已知的推定基态。对于大多数序列，我们还可以确定状态的整个能量密度，并与适当设计的结构观察值一起，探索热力学和复杂的折叠行为在几乎难以接近的低温区域。我们分析了随机和蛋白质类杂聚物之间的差异，序列长度高达500个残基。我们的方法是强大的鲁棒性和速度方面，但灵活和简单，足以研究蛋白质折叠的许多相关问题。
2012-07-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Impact of Co-Excipient Selection on Hydrophobic Polymer Folding: Insights for Optimal Formulation Design
本文通过分子动力学模拟和网络理论分析，研究精氨酸与赖氨酸或谷氨酸的共辅料组合对疏水性聚合物折叠的影响，发现精氨酸最有效且添加其他辅料可增强其稳定作用，为合理配方设计提供依据。
2024-07-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Magnetic Polymer Models for Epigenetics-Driven Chromosome Folding
表观遗传学是自然界中重要和普遍存在的现象，如细胞分化甚至变态的驱动力。与表观遗传学的广泛作用不同，理解表观遗传学控制和重新连接基因调控网络的生物物理学原理仍然是一个开放的挑战。在这项工作中，我们研究了表观遗传修饰对染色体空间折叠的影响-因此对潜在基因的表达-通过将问题映射到一类称为磁性聚合物的模型。在这项工作中，我们表明，一阶相变的基础上同时传播的某些表观遗传标记和构象崩溃的染色体。此外，我们描述了布朗动力学模拟的模型，其中的聚合物和热波动的拓扑结构被充分考虑，并证实了我们的平均场预测。扩展我们的模型，使非平衡项产生新的稳定相，定性同意在体内的观察。我们的研究结果表明，应用于磁性聚合物模型的统计力学技术可以成功地利用合理化的实验结果，旨在探索动态表观遗传景观和染色质组织之间的相互作用。
2019-11-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Predicting the three-dimensional folding of cis-regulatory regions in mammalian genomes using bioinformatic data and polymer models
染色体的三维结构可以使用Capture-C等方法进行探测。然而，目前还不清楚这些群体水平的数据如何与单个细胞内的组织相关，导致观察到的相互作用的机制在很大程度上仍然不清楚。我们提出了一个聚合物建模方案的基础上的假设，染色体结构是由蛋白质桥，形成染色质环。为了测试模型，我们进行FISH实验，并与Capture-C数据进行比较。仅仅从蛋白质结合位点的位置开始，我们的模型准确地预测了实验观察到的染色质相互作用，揭示了一个人口的3D构象。
2016-01-12 physics.bio-ph q-bio.GN q-bio.QM
Hydrophobic and ionic-interactions in bulk and confined water with implications for collapse and folding of proteins
水和水介导的相互作用决定了蛋白质折叠、蛋白质聚集和在有限空间中自组装的热力学和动力学。为了深入了解水在折叠问题中的作用，我们描述了一些相关模型系统的计算机模拟。二十烷的塌缩动力学表明，在排出水时，线性烃链采用具有1.5圈的有序螺旋发夹结构。二十烷分子的二聚体的结构具有两个彼此垂直堆叠的有序螺旋发夹。作为研究受限空间中折叠的前奏，我们使用模拟来了解纳米液滴中疏水和离子相互作用的变化。在纳米水滴中，疏水和带电物种的溶剂化发生了剧烈的变化。疏水性物种定位在边界处。离子在水密度低的边界处的倾向随着电荷密度的降低而增加。疏水性、极性和带电残基之间的相互作用在密闭空间中也发生了深刻的变化。使用计算机模拟的结果，并占链熵损失后限制，我们认为，然后证明，使用模拟在明确的水，通用两亲性肽序列的有序状态应稳定在圆柱形纳米孔。
2011-05-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
From a melt of rings to chromosome territories: The role of topological constraints in genome folding
我们回顾正反两方面的假设，通用聚合物的拓扑约束的属性背后的染色质折叠在真核细胞中的许多方面。为此，我们回顾，首先，最近的理论和计算结果在聚合物物理学有关的集中，拓扑简单（unknotted和unlinked）链或链系统。其次，我们回顾了最近的实验发现与基因组折叠。在这些领域的理解是远远不够的，但我们显示如何看待他们在平行的新的光在这两个。
2014-01-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Bloch spin waves and emergent structure in protein folding with HIV envelope glycoprotein as an example
我们探讨了在蛋白质折叠过程中结构是如何形成的。为此，我们在全原子分子动力学模拟中仔细研究了多原子的集体运动。我们介绍，开发和采用各种拓扑技术，结合分析工具，我们推导出的概念，可积模型和结构的离散非线性薛定谔方程。我们考虑的例子是HIV包膜糖蛋白gp 41的α-螺旋亚基。当亚基是生物寡聚体的一部分时，螺旋结构是稳定的。但在孤立状态下，螺旋变得不稳定，单体开始变形。我们通过计算来跟踪这个过程。我们解释了不断发展的结构，无论是在骨干海森堡自旋链和侧链XY自旋链。我们发现，在这两种情况下，蛋白质超二级结构的形成类似于沿着自旋链形成拓扑布洛赫结构域壁。在这个过程中，我们确定了三个单独的布洛赫墙，我们表明，他们每个人都可以建模一个非常高的精度方面的孤立子解决方案的离散非线性薛定谔方程。
2015-11-23 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
When does TMAO fold a polymer chain and urea unfold it?
通过研究渗透剂N-氧化三甲胺（TMAO）和变性渗透剂尿素对不带电荷的聚合物链的折叠的影响，解决了长期存在的关于保护渗透剂N-氧化三甲胺（TMAO）和变性渗透剂尿素对蛋白质折叠的作用的机理问题。使用原子分子动力学模拟，我们表明，1-M TMAO和7-M尿素溶液对这些模型聚合物链的作用显着不同。它们的行为对链与其环境的吸引力分散相互作用的强度敏感：当这些分散相互作用足够高时，与水相比，TMAO抑制疏水性聚合物的扩展构象的形成，而脲促进扩展构象的形成。类似的趋势在真实的蛋白质系统上也有实验观察。令人惊讶的是，我们发现，保护和变性渗透剂强烈相互作用的聚合物，似乎在与现有的解释的渗透剂对蛋白质的影响。我们表明，真正重要的是保护渗透剂是其有效的耗尽作为聚合物构象的变化，这导致在优先结合系数的负变化。对于TMAO，有一个更有利的自由能插入一个单一的渗透剂附近的聚合物的塌陷构象比附近的扩展构象。相比之下，尿素优先稳定在延伸构象旁边，因此具有变性作用。
2013-06-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
RNA secondary structure formation: a solvable model of heteropolymer folding
在RNA二级结构的背景下研究了杂聚物结构形成的统计力学。设计的RNA序列偏向于一个特定的天然结构（发夹）被用来研究天然和熔融相的RNA之间的转变作为温度的函数。该转变是由从聚合物与天然结构的重叠获得的能量与形成随机接触的熵增益之间的竞争驱动的。提出了一种简化的类围棋模型并精确求解。预测的临界行为验证通过精确的数值枚举一个大的合奏类似设计的序列。
1999-03-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Conformal folding Dynamics of Amyloid $β$-$τ$ Oligomer in Neuronal Dysfunction
本研究基于聚合物链折叠动力学与多尺度连接性构建神经元退行性变模型，当前仅完成初始模型搭建，后续需通过数值模拟完善疾病进展的数学描述。
2023-08-22 physics.bio-ph physics.med-ph
Structure-based prediction of protein-folding transition paths
我们提出了一个描述蛋白质折叠过渡路径分布的一般理论。我们表明，过渡路径遵循一个可预测的序列的高自由能的瞬态分离的自由能障碍。每个瞬态对应于一个或多个离散的合作单元的组装，这些单元直接从原生结构确定。我们表明，折叠路径上的过渡状态时，达到一个小数目的临界接触之间形成一组特定的子结构，折叠后进行自由能下坡。这种方法提出了一个自然的分辨率区分平行折叠途径，并提供了一个简单的方法来预测在折叠反应的限速步骤。我们的理论确定了不同的天然结构的蛋白质的共同折叠机制，并建立了具有特定相互作用的聚合物自组装的一般原则。
2016-07-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Capturing the essence of folding and functions of biomolecules using Coarse-Grained Models
生物分子及其复合物可以发挥作用的距离从几纳米（折叠结构）到几毫米（例如染色体组织）不等。描述涵盖如此不同长度和时间尺度的现象，需要模型来捕捉特定长度尺度的潜在物理学。理论思想，特别是来自聚合物物理学的概念，指导了粗粒度模型的发展，以研究DNA，RNA和蛋白质的折叠。最近，此类模型及其变体已应用于生物纳米机器的功能。使用粗粒度模型的模拟现在准备解决生物学中的广泛问题。
2011-09-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Quantized biopolymer translocation through nanopores: departure from simple scaling
我们讨论了多尺度模拟长生物聚合物易位通过宽纳米孔，可以容纳多个聚合物链。模拟提供了折叠量子化的明确证据，即易位通过多折叠配置进行，其特征在于一个明确定义的整数倍。因此，易位时间获得依赖于平均折叠数，这导致偏离单指数幂律表征单列易位通过窄孔。折叠量子化的机制允许聚合物超过阈值长度（对于双链DNA大约为$1,000$持续长度）表现出合作行为，并因此显著更快地移位。
2009-02-27 physics.bio-ph physics.comp-ph
Depletion interactions modulate coupled folding and binding in crowded environments
胞内无序蛋白（IDP）在细胞调节中大量存在。它们的相互作用通常是短暂的，对盐浓度和翻译后修饰高度敏感。然而，人们对大分子拥挤对IDP与其细胞靶点相互作用的动力学和稳定性的影响知之甚少。在这里，我们调查的影响拥挤的耦合折叠和两个IDP之间的绑定，使用聚乙二醇作为拥挤剂在很宽的尺寸范围。单分子Förster共振能量转移使我们能够同时量化几个关键参数：平衡解离常数，动力学缔合和解离速率，以及微粘度变化引起的平移扩散系数。我们发现，IDP复合物的稳定性增加，不仅与浓度，但也与拥挤的大小，在矛盾的缩放粒子理论。然而，平衡和动力学的结果可以定量地解释耗尽相互作用，如果考虑到蛋白质和拥挤的聚合物的性质。因此，这种方法提供了一个综合的框架，用于解决在拥挤的环境中消耗效应和聚合物物理学对IDP相互作用之间复杂的相互作用。
2019-12-14 physics.bio-ph physics.chem-ph
Cross-linker mediated compaction and local morphologies in a model chromosome
染色质和相关蛋白质构成染色体的高度折叠结构。我们考虑一个自避免聚合物模型的染色质，其中的片段可能会得到交联通过蛋白质粘合剂，相互排斥。粘合剂通过聚合物介导的吸引聚集在一起，进而折叠聚合物。使用分子动力学模拟，和平均场的描述，我们明确地证明了折叠过渡的连续性，其特征在于通过单峰分布的聚合物尺寸在整个过渡。在过渡点处，染色质大小和交联剂簇显示出大的波动，并且除了临界减慢之外，它们的负交叉相关性达到最大值。沿着过渡，我们区分的拓扑循环，环间间隙，和拉链的局部链形态。拓扑结构在临界点主要是单连通环，在折叠点主要是拉链。
2019-05-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Transcription-driven genome organization: a model for chromosome structure and the regulation of gene expression tested through simulations
目前的人类基因组折叠模型看到了一个层次结构，从染色体区域，通过A/B区室和TAD（拓扑关联结构域），到由粘着蛋白和CTCF稳定的接触结构域。然而，这种折叠的分子机制以及折叠影响转录活性的方式仍然不清楚。在这里，我们回顾了物理原理驱动蛋白质绑定到长聚合物成簇环包围，并提出了一个简约而全面的模型的方式组织决定功能。我们认为，集群的活性RNA聚合酶和它们的转录因子是主要的建筑特征，然后，接触域，TADs，和车厢只是反映一个或多个环和集群。我们建议将一个基因拴在一个包含适当因子的簇附近-一个转录工厂-增加了发射频率，并为目前许多关于增强子，超级增强子，边界和eQTL（表达数量性状基因座）的作用的难题提供了解决方案。因此，任何基因的活性都直接受到3D空间中其周围其他转录单位活性的影响，这得到了转录因子与长聚合物上同源位点结合的布朗动力学模拟的支持。
2020-10-01 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.GN
Topological spectra and entropy of chromatin loop networks
本研究针对染色质3D折叠的拓扑分类问题，结合数值与解析方法分析染色质环网络的拓扑谱与熵，发现相邻结合位点有限间距导致同规模拓扑权重差异大，基因多折叠为少数花环状拓扑，提出可靠表征框架。
2023-12-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
