Traffic of interacting ribosomes: effects of single-machine mechano-chemistry on protein synthesis
许多核糖体同时在同一信使RNA（mRNA）上移动，每个核糖体分别合成由mRNA编码的蛋白质。早期的核糖体运输模型用一个“自推进粒子”来表示每个核糖体，并通过完全不对称简单排除过程（TASEP）的扩展来捕获动力学。相比之下，在这里，我们开发了一个理论模型，不仅包括相互作用的核糖体的相互排斥，但也明确描述了这些单独的循环机器在蛋白质合成过程中的机械化学。利用非平衡统计力学的分析和数值技术，我们分析了这个模型，并说明其权力，通过实验测试的预测蛋白质合成的速度在实时和密度分布的核糖体上的一些mRNA在大肠杆菌。
2006-04-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Physical modeling of ribosomes along messenger RNA: estimating kinetic parameters from ribosome profiling experiments using a ballistic model
基因表达是由DNA上编码的信息合成蛋白质。基因表达的两个主要步骤之一是将信使RNA（mRNA）翻译成氨基酸的多肽序列。在这里，考虑到mRNA的降解，我们沿着mRNA的弹道模型，粒子沿细丝前进，不排除体积相互作用的运动的核糖体模型。单向运输模型先前已用于拟合通过实验核糖测序（Ribo-seq）技术获得的核糖体的平均密度。在这种情况下，逆拟合可以获得动力学速率：位置依赖的速度和核糖体进入mRNA的速率。然而，降解速率未被考虑，并且需要来自不同实验的实验数据以具有用于拟合的足够参数。在这里，我们提出了一个全新的实验装置和理论框架，包括根据核糖体的数量从一到四将mRNA分成几类。我们解析地解决每个mRNA的核糖体的固定数量的弹道模型，研究不同的制度的降解，并提出了一个标准的逆拟合的质量。所提出的方法提供了一个高灵敏度的mRNA降解速率。来自使用单体（单个核糖体）和多聚体（任意数量）核糖体-seq谱的额外方程使我们能够根据实验可获得的mRNA降解速率来确定所有动力学速率。
2022-08-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modelling the effect of ribosome mobility on the rate of protein synthesis
翻译是蛋白质合成的主要步骤之一。它由核糖体组成，将mRNA上编码的核苷酸序列翻译成氨基酸的多肽序列。与mRNA结合的核糖体单向移动，而未结合的核糖体在细胞质中扩散。据推测，核糖体的有限扩散在核糖体循环中起着重要作用，mRNA环化提高了翻译效率。为了估计细胞质扩散对翻译速率的影响，我们考虑耦合到有限扩散库的完全不对称简单排斥过程（TASEP），我们称之为具有扩散的核糖体运输模型（RTD）。在这个模型中，我们推导出蛋白质合成速率作为核糖体的扩散常数的函数的解析表达式，这与连续时间蒙特卡罗模拟的结果相印证。使用广泛的生物相关参数，我们得出结论，生物细胞中的扩散足够快，因此它在控制翻译起始速率方面不起作用。
2022-01-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic kinetics of ribosomes: single motor properties and collective behavior
细胞中蛋白质分子的合成是由核糖体完成的。核糖体可以被认为是一个分子马达，它利用输入的化学能在信使RNA（mRNA）轨道上移动，该轨道也用作相应蛋白质聚合的模板。然而，向前运动的特征是移位和停顿的交替序列。使用一个定量模型，它捕获的机械化学循环的一个单独的核糖体，我们推导出一个{ \it精确}的分析表达式，其停留时间的分布在连续的位置上的mRNA轨道。平均停留时间的倒数满足"Michaelis-Menten类“方程，并且与具有无分支机械化学循环的分子马达的平均速度的通式一致。适当地推广这个公式，我们还推导出了核糖体的精确力-速度关系。通常许多核糖体同时在相同的mRNA轨道上移动，而每个核糖体合成相同蛋白质的拷贝。我们扩展了一个单一的核糖体的模型，将空间排斥不同的个人在同一个轨道上。我们绘制了这个模型的相图的核糖体交通在3维空间跨越实验可控参数。我们建议对我们的理论预测进行新的实验检验。
2009-07-12 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Distribution of dwell times of a ribosome: effects of infidelity, kinetic proofreading and ribosome crowding
核糖体是聚合蛋白质的分子机器，其中氨基酸残基（蛋白质的单体）的序列由充当模板的信使RNA（mRNA）上的密码子（核苷酸三联体）的序列决定。核糖体是一个分子马达，它利用模板mRNA链作为轨道。因此，在每一步中，核糖体向前移动一个密码子，同时将蛋白质延长一个氨基酸。我们提出了一个理论模型，捕捉了核糖体的机械化学循环中的大部分主要步骤。核糖体的随机运动由暂停和移位的交替序列组成;暂停和随后的移位的持续时间的总和是核糖体在相应密码子处的停留时间。在我们的模型中，我们推导出核糖体的停留时间分布的解析表达式。无论实验数据是可用的，我们的理论预测与这些结果一致。我们建议适当的实验来测试我们的模型的新预测，特别是，核糖体的质量控制机制的影响和拥挤的mRNA轨道。
2011-01-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Optimal localization patterns in bacterial protein synthesis
在$\textit{Escherichia coli}$细菌中，参与蛋白质合成的分子化合物、信使RNA（mRNA）和核糖体显示出明显的细胞内定位模式。然而，仍然缺乏对物理原理的定量理解，这些物理原理将允许人们通过设计、生物工程和优化这些定位模式来控制蛋白质合成。在这项研究中，我们考虑的情况下，mRNA的反应扩散特性的合成修饰允许控制的mRNA和多核糖体结合到mRNA的多聚核糖体$\mathrm{-}$复合物的本地化和化学计量。我们的分析表明，蛋白质合成是可以控制的，例如，通过仅利用mRNA空间定位和化学计量，而不借助于mRNA表达水平的改变，最佳地增强或抑制。我们确定了控制蛋白质合成速率的物理机制，突出了mRNA和自由扩散的核糖体之间的共定位的重要性，以及由于DNA类核的多核糖体化学计量和排除体积效应之间的相互作用。我们工作的全基因组定量预测可以在细胞生物学实验中进行直接验证和实施，其中可以通过荧光显微镜在单细胞和群体中监测定位模式和蛋白质合成速率。
2019-05-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic thermodynamics and modes of operation of a ribosome: a network theoretic perspective
核糖体是活细胞中最大和最复杂的大分子机器之一。它按照模板信使RNA（mRNA）上相应核苷酸序列的指导，逐步聚合蛋白质，这一过程被称为mRNA转录物序列中编码的遗传信息的“翻译”。在（蛋白质）延伸阶段的每个成功的化学机械循环中，核糖体通过一个称为氨基酸的单亚基延伸蛋白质，并通过三个称为密码子的核苷酸在模板mRNA上前进。因此，核糖体也被认为是一个分子马达，其中mRNA作为轨道，其步长为密码子的步长，并且在该循环中水解的两个GTP分子和一个ATP分子作为其燃料。进一步增加复杂性的是导致不同循环的竞争途径的存在，每个循环中的分支途径和无用的燃料消耗既不会导致新生蛋白质的延伸，也不会导致核糖体在其轨道上向前推进。我们研究了一个模型制定的离散化学机械状态的核糖体在翻译的延伸阶段的网络。该模型进行了分析，使用随机热力学和动力学分析相结合的图论方法的基础上。我们推导出相应的主方程的精确解。我们代表的基础网络的周期的稳定状态，并讨论了能量转换过程。我们根据核糖体的平均速度和GTP水解的平均速率来确定核糖体的各种可能的操作模式。我们还计算熵产生的函数的状态间转换的速率和热力学成本的翻译过程的准确性。
2020-02-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Power series method for solving TASEP-based models of mRNA translation
基于完全不对称简单排除过程（TASEP），提出了一种求解信使RNA（mRNA）翻译数学模型的方法.我们的主要目标是证明该方法是通用的，适用于现实的翻译模型。为此，我们认为TASEP与密码子依赖性的延长率，提前终止由于核糖体脱落和翻译重新启动由于mRNA的环化。我们将该方法应用于模式生物{ \it酿酒酵母}在生理条件下，并找到良好的协议与随机模拟的结果。我们的研究结果表明，普遍认为翻译的速度是有限的启动是过于简单化。相反，我们找到了核糖体干扰的理论证据，也为斜坡假说提供了理论支持，该假说认为基因开始处的密码子具有较慢的延伸速率，以减少核糖体密度和干扰。
2020-05-18 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Comment on "Length-dependent translation of messenger RNA by ribosomes"
在Valleriani { \it et al} [Phys. Rev. E { \bf 83}，042903（2011）]的最新论文中，提出了用于描述核糖体翻译信使RNA（mRNA）的简单模型，并且获得了翻译率$r$的表达式，所述翻译率$r$定义为蛋白质从mRNA的翻译速率$ω_{\rm tl}$与蛋白质的降解速率$ω_p$的比率。得到这个比率$r$的关键点是得到翻译率$ω_{\rm tl}$。在Valleriani { \it et al}的研究中，假定$ω_{\rm tl}$是测量的翻译速率的平均值，即蛋白质的翻译数与mRNA的寿命的比率的平均值。然而，在实验中，可以使用不同的方法来获得$ω_{\rm tl}$。因此，为了将来将他们的模型应用于更多的实验数据分析，在本文中，提供了三种获得平移率$ω_{\rm tl}$的方法，从而获得平移比$r$。基于大多数实验中可能采用的方法之一，我们发现，在原核细胞中，翻译率$r$随mRNA的长度呈指数衰减，而在真核细胞中，翻译率随mRNA的长度呈指数衰减。这一结果与Valleriani的研究结果略有不同。
2011-10-10 physics.bio-ph q-bio.BM
Semi-Markov models of mRNA-translation
翻译是核糖体将信使RNA（mRNA）编码的信息转化为蛋白质的细胞过程。我们考虑到实验确定的，非指数，核糖体的步骤之间的等待时间的排斥过程的翻译模型。从使用现实的参数值的数值模拟，我们确定的分布P（E）的数量的蛋白质E产生的一个mRNA。我们发现，对于小E，这个分布不是几何的。我们提出了一个简化的和解析可解的半马尔可夫模型，涉及P（E）的时间分布，以产生第一个E蛋白。
2011-04-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Paused in translation: A model for the transcript length-dependent impact of ribosome-targeting antibiotics
本文构建纳入随机暂停的 TASEP 模型及单簇近似，揭示核糖体靶向抗生素的翻译抑制依赖转录本长度，并由集体动力学主导。
2025-07-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Role of the particle's stepping cycle in an asymmetric exclusion process: A model of mRNA translation
信使RNA翻译通常通过基于不对称简单排除过程（ASEP）的摩擦力学模型进行研究，该模型考虑了晶格（多核苷酸链）上的跳跃粒子（核糖体）。在这项工作中，我们扩展了这类模型，并考虑核糖体的生化循环的两个基本步骤，粗粒度的角度来看。为了实现更好地了解潜在的生物过程和比较的理论预测与实验结果，我们提供了一个描述之间的最小ASEP-样模型和更详细的模型，这是很难分析治疗。我们使用平均场的方法来研究与内部步进周期的粒子的动力学。在这个框架中，它是可能的，分析表征系统的不同阶段（高密度，低密度或最大电流阶段）。至关重要的是，我们表明，这些不同的阶段之间的过渡发生在不同的参数值比在一个标准的ASEP等效的过渡，表明包括核糖体的生化循环的两个基本步骤的模型的重要性。
2010-05-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Fluctuations in protein synthesis from a single RNA template: stochastic kinetics of ribosomes
蛋白质是由核糖体这种环状机器聚合而成的，核糖体利用其信使RNA（mRNA）轨道作为相应的模板，这一过程称为翻译。我们深入细致地探讨了翻译的随机性。我们计算了与翻译过程相关的各种分布;其中之一，即停留时间分布，已经在最近的单核糖体实验中测量（Wen等人，Nature { \bf 452}，598（2008））。我们的理论预测的这种分布的形式是一致的，从实验数据提取。对于我们的定量计算，我们使用一个模型，捕获每个单独的核糖体的机械化学以及它们的空间相互作用。我们还证明了真正的基因的序列不均匀性的波动和噪音翻译的影响。原则上，我们的新预测可以通过进行{ \it体外}实验来检验。
2008-05-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.GN
Deciphering mRNA Sequence Determinants of Protein Production Rate
翻译的生物物理模型中最大的挑战之一是识别影响翻译速率的编码序列特征，从而影响细胞中的整体蛋白质生产。我们提出了一种分析方法来解决基于非均匀完全不对称简单排斥过程的翻译模型，这使我们能够揭示决定蛋白质生产率的核苷酸序列的简单设计原则。我们的解决方案显示了一个很好的协议相比，S。酿酒酵母转录物序列，并预测前10个密码子，连同起始速率的值，是蛋白质生产速率的主要决定因素。最后，我们解释了基于密码子选择调节翻译速率和核糖体密度的进化作用所获得的分析结果。
2018-03-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Slowing translation to avoid ribosome population extinction and maintain stable allocation at slow growth rates
针对缓慢生长下核糖体数量下降及灭绝风险，本文提出将翻译速度作为替代控制参数，以更大核糖体池维持稳定生长并解释相关实验现象。
2025-03-17 physics.bio-ph q-bio.OT
A biologically motivated three-species exclusion model: effects of leaky scanning and overlapping genes on initiation of protein synthesis
完全不对称简单排除过程（TASEP）最初是作为一种模型引入的，用于描述核糖体在信使RNA（mRNA）上的交通样集体运动，该信使RNA充当单个核糖体的马达样向前步进的轨道。在每一步中，核糖体使用轨道也作为蛋白质合成的模板将蛋白质延长一个单位。但是，预制的、功能上有能力的核糖体不能开始蛋白质的合成;一个亚基定向扫描mRNA，寻找预先指定的位点，在那里它应该与另一个亚基结合，开始合成相应的蛋白质。然而，由于“泄漏”扫描，一小部分扫描子单元错过了目标位点，并在第一个目标之外继续搜索。有时，这种扫描仪成功地识别出标记不同蛋白质合成起始位点的位点。在本文中，我们开发了一个排斥模型，与三个相互转换的物种的硬棒，捕捉这些生物现象的一些关键特征，并研究了不同种类的棒在同一晶格上的流动的干扰的影响。更具体地说，我们确定的同时为适当的平均{ \it第一次通过}时间，我们计算分析使用的形式主义的向后主方程的蛋白质合成的启动。尽管进行了近似，我们的分析预测是在合理的数值数据，我们通过执行蒙特卡罗模拟得到良好的协议。我们还将我们的结果与文献中报道的一些实验事实进行了比较，并提出了新的实验来测试我们的一些新的定量预测。
2019-02-08 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Modeling protein synthesis from a physicist's perspective: a toy model
蛋白质是氨基酸的聚合物。这些大分子由称为核糖体的细胞内机器合成。虽然蛋白质合成的实验研究一直是分子细胞生物学的传统研究领域，但在统计物理学和相关跨学科主题的研究期刊上已经报道了蛋白质合成的重要定量模型。从物理学家的角度来看，蛋白质合成是相互作用的核糖体在信使RNA（mRNA）模板上的经典运输，该模板决定了蛋白质上的氨基酸序列。我们讨论了适当的简化模型和方法。特别是，我们开发和分析一个简单的玩具模型，使用非平衡统计力学的一些基本技术，并预测蛋白质合成的平均速率和核糖体的空间组织在稳定状态。
2007-06-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Towards a model for protein production rates
在翻译过程中，核糖体读取mRNA上的遗传密码，并组装相应的多肽链。核糖体进行离散定向运动，这是很好地模拟了一个完全不对称的简单排除过程（TASEP）与开放的边界。使用蒙特卡罗模拟和一个简单的平均场理论，我们讨论了一个或两个“校验”的影响（即，慢密码子）对最终蛋白质的生产速率的影响。重复和扩展了Chou和Lakatos以前的工作，我们发现慢密码子的位置和间距可以非常显著地影响生产率。特别是，我们观察到一种新的“边缘”效应，即，单个慢密码子与系统边界的相互作用。我们专注于详细的核糖体密度分布图，并提供了一个简单的解释，控制这些相互作用的范围内的长度尺度。
2006-06-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Quality control by a mobile molecular workshop: quality versus quantity
核糖体是一种分子机器，它在mRNA轨道上移动，同时使用mRNA作为相应的模板聚合蛋白质。我们定义，并分析计算，这台机器的效率的两种不同的措施。然而，我们认为它的性能在翻译保真度和聚合蛋白质的速度方面得到了更好的评价。我们定义这两个量，并分析计算。保真度是产物质量的量度，而在给定间隔内合成的产物的总量取决于聚合速度。我们表明，为了合成大量的蛋白质，没有必要牺牲质量。我们还探讨了质量控制机制对机械力-化学耦合强度的影响。我们建议用实验来检验这里提出的一些想法。
2010-09-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
