Rotation-Beating dynamics of a driven flexible filament: role of motor protein properties
本研究利用数值模拟探讨了马达蛋白特性对驱动柔性丝动力学行为的控制，发现系统存在涨落、旋转和拍打三种状态，并揭示了状态转变的力学条件与机制。
2024-09-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Local Changes in Protein Filament Properties Drive Large-Scale Membrane Transformations Involved in Endosome Tethering and Fusion
本文提出聚合物场论模型，揭示内体膜上蛋白质丝状物通过刚性—柔性转变及向列排列改变膜弹性，从而促进囊泡融合。
2023-09-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Kinetics of fragmentation and dissociation of two-strand protein filaments: Coarse-grained simulations and experiments
虽然大量的研究都集中在蛋白质自组装的过程中，但对由于热运动而导致的丝断裂成较小片段或丝末端亚基解聚的逆过程了解得少得多。肌动蛋白和淀粉样蛋白丝断裂的间接证据已经报道，尽管这种现象从未在实验或模拟中直接观察到。在这里，我们报告的直接观察长丝解聚和破碎的最小，校准模型的粗粒度分子模拟。我们量化的数量级，其中解聚率从丝端$k_\mathrm{off}$大于碎裂率$k_{-}$，并建立了法律$k_\mathrm{off}/k_- = \exp [( \varepsilon_\| - \varepsilon_\bot) / k_\mathrm{B}T ] = \exp [0.5 \varepsilon / k_\mathrm{B}T ]$，这占的拓扑结构和能量的债券保持在一起的长丝。这种机制和数量级的预测得到了胰岛素淀粉样蛋白丝解聚的直接实验测量的支持。
2016-09-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Bidirectional motion of filaments: Role of motor proteins and passive cross linkers
在真核细胞中，马达蛋白（MP）与细胞骨架丝结合并沿其定向运动，产生主动应激。在细胞分裂过程中，一种纺锤体结构的重叠反平行微管（MT）的形式，其稳定性和动力学的影响下的MPs已被广泛研究。尽管已知被动交联剂（PCL）为丝状网络提供结构稳定性，但MP的ATP依赖性主动力和PCL对MT重叠的被动熵力之间的相互作用的后果仍然在很大程度上未被探索。在这里，我们制定和表征的模型来研究这一点，使用线性稳定性分析和数值积分。在PCL的存在下，我们发现动态相变与变化的活动表现出制度的稳定部分重叠或没有振荡，不稳定的完全重叠，和稳定的极限环振荡，出现通过超临界Hopf分叉，其特征在于由MP和PCL参数确定的振荡频率。我们发现，重叠动力学和稳定性的关键取决于是否重叠对的两个MT是可移动的或一个是固定的，在体内和体外研究具有潜在的影响。
2017-06-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Structural Reorganization of Parallel Actin Bundles by Crosslinking Proteins: Incommensurate States of Twist
我们构建了一个粗粒度模型的平行肌动蛋白束交联的紧凑，球状捆绑蛋白，如fascin和espin，必要的组件filapodial和mechanosensory束。与束的结构观察一致，我们发现交联的最佳几何形状是过度扭曲，需要一个连贯的结构变化的螺旋几何形状的长丝。我们研究了成束肌动蛋白丝从天然状态到过度扭曲状态的依赖于接头的热力学转变，并根据交联蛋白的可用性和柔性绘制了“扭曲状态”相图。我们预测，从未交联到完全交联状态的过渡是高度敏感的连接器的灵活性：灵活的交联顺利扭曲的扭曲状态的成束长丝，而刚性交联束进行相变，迅速过捻长丝在一个狭窄的范围内的自由交联剂浓度。此外，我们预测一个丰富的频谱的中间结构，稀疏约束（无捻）和强约束（过捻）长丝交替域组成。该模型揭示了交联剂本身的细微差异不仅改变了平行肌动蛋白束的详细结构，而且改变了它们形成的热力学途径。
2010-08-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Multicomponent rendezvous of cofilin, profilin and twinfilin at the actin filament barbed end
本研究通过结合高通量单丝实验与理论，揭示了profilin、cofilin和twinfilin在肌动蛋白丝barbed端的多组分协同动力学，发现成对相互作用可有效描述其解聚行为。
2023-11-11 physics.bio-ph
Run-and-pause dynamics of cytoskeletal motor proteins
细胞骨架马达蛋白参与主要的细胞内转运过程，这对于维持适当的细胞功能至关重要。电机表现出不同的运动状态：沿细丝的主动运动，和有效的固定相，其中它从细丝分离，并在附近的分离点由于细胞质拥挤进行被动扩散。运动阶段和暂停阶段之间的转换率一般是不对称的，并且受到环境条件变化的很大影响，环境条件的变化会影响货物交付到特定目标的效率。通过考虑分子马达在单纤维上的运动以及动态纤维网络，我们提出了一个分析模型的自推进粒子的动力学经历频繁的暂停阶段。运动持续性，丝状网络的结构特性和运动的两种状态之间的过渡速率之间的相互作用急剧改变了动力学：不同类型的异常扩散动力学之间的多个过渡发生和交叉时间的渐近扩散或弹道运动变化了几个数量级。我们绘制出的过渡率的空间中的相图，并解决所产生的动力学运动的初始条件的作用。
2016-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Quantifying the efficiency of principal signal transmission modes in proteins
该研究基于线性响应理论提出传递函数框架，量化蛋白质中信号传递效率，并通过全原子模拟发现卷曲螺旋基序中展开形变是组氨酸激酶生物功能最相关的信号传递模式。
2024-03-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Morphological and dynamical properties of semiflexible filaments driven by molecular motors
我们考虑一个明确的模型的半柔性丝运动在两个维度上的滑行测定马达蛋白质，附着到和脱离丝段随机，脱离率取决于当地的负载经历。附着的马达蛋白沿着细丝移动到它的一端，其速度随着马达蛋白的延伸而非线性地变化。作用在灯丝上的合力使它失去平衡。从平衡的距离反映在端到端的分布，改性的弯曲刚度，和过渡到螺旋形态的聚合物。活动的局部应力依赖性导致质心的速度和方向的相关波动，从而导致其动力学中的一系列弹道扩散交叉。
2019-05-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Structural Polymorphism of the Cytoskeleton: A Model of Linker-Assisted Filament Aggregation
在杆间连接体的存在下，带电杆的相行为的理论研究作为一个模型的平衡行为的基础上组织的肌动蛋白丝连接蛋白在细胞骨架。溶液中接头的存在改变了有效的杆间相互作用，并可导致丝间吸引。根据系统的组成和物理性质，如连接体结合能，细丝将彼此垂直或平行取向，导致网络状或成束结构。我们表明，这样的系统可以有三个通用的相图之一，一个占主导地位的束，另一个网络，第三个包含束和网络状的阶段。前两个图可以在很宽的相互作用能范围内找到，而第三个图只发生在很窄的范围内。这些结果提供了理论上的理解分类的连接蛋白作为捆绑蛋白或交联蛋白。此外，他们提出了细胞可能控制细胞骨架形态的可能机制。
2005-04-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Kinetics of spontaneous filament nucleation via oligomers: insights from theory and simulation
成核过程是许多现象的核心，从云的形成到蛋白质结晶。最近出现的一个与成核高度相关的领域是丝状蛋白质自组装的起始，该过程具有从医学到纳米技术的广泛影响。因此，近年来，蛋白质纤维的自发成核受到了广泛的关注，许多理论和实验研究集中在潜在的物理原理上。在本文中，我们在这个方向上前进了一步，并探讨了早期的丝状蛋白质生长的成核理论的背景下的行为。我们首先提供了一个概述的热力学和动力学的自发成核的蛋白质丝的存在下，一个相关的自由度，即簇的大小。在这种情况下，我们回顾关键的动力学观测，如自发成核的反应顺序，是直接相关的临界核的物理尺寸。然后，我们专注于日益突出的情况下，长丝成核，包括构象转换的成核积木作为一个额外的缓慢步骤中的成核过程。利用计算机模拟，我们研究了成核速率的浓度依赖性。我们发现，在这些情况下，相对于自由单体的自发成核的反应顺序不再涉及成核聚集体的总体物理尺寸，而是涉及聚集体的积极参与构象转化的部分。因此，我们的研究结果提供了一个新的解释蛋白质丝形成的常见动力学描述符，包括成核步骤的反应顺序或滞后时间的标度指数，并把当前的理论描述的蛋白质聚集的角度。
2017-01-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The vimentin cytoskeleton: When polymer physics meets cell biology
组织的正常功能取决于细胞承受压力和保持形状的能力。这个过程的中心是细胞骨架，由三个聚合物网络组成：F-肌动蛋白，微管和中间丝。中间丝蛋白是细胞中最丰富的细胞骨架蛋白之一，但它们仍然是最不了解的蛋白之一。它们的结构和功能偏离它们的细胞骨架伙伴，F-肌动蛋白和微管。中间细丝网络显示出可延展性、柔性和韧性的独特组合，赋予细胞机械弹性。波形蛋白是间充质细胞中表达的中间丝蛋白。这篇综述强调了波形蛋白中间丝的物理生物学及其在整个细胞和组织应对压力中的作用的令人兴奋的新结果。
2020-08-24 physics.bio-ph
Quantifying protein densities on cell membranes using super-resolution optical fluctuation imaging
表面分子以不同的模式和簇分布在细胞膜上，影响活细胞的重要功能。因此，了解它们在不同生理和病理条件下的分子表面组织非常重要。在这里，我们提出了一种无模型的，定量的方法来确定基于TIRF照明和超分辨率光学波动成像（SOFI）的细胞表面分子的分布。这种基于SOFI的方法对于单发射器多次闪烁事件、高标记密度和高闪烁率是鲁棒的。在SOFI中，分子密度不是基于计数事件，而是由于强度波动的相关性而作为固有性质的结果。使用模拟数据以及研究棕榈酰化对静息T细胞质膜中CD4蛋白纳米级分布的影响的实验数据来验证该方法的有效性和稳健性。
2017-04-05 physics.bio-ph
Steric effects induce geometric remodeling of actin bundles in filopodia
丝状伪足是由许多真核细胞产生的普遍存在的指状突起，用于探测环境并与环境相互作用。肌动蛋白丝的聚合动力学，包括丝状伪足的结构核心，在很大程度上决定了它们的瞬时长度和整体寿命。丝状伪足尖端的聚合反应需要G-肌动蛋白的运输，其从丝状伪足基部进入丝状伪足管并向尖端附近的丝状倒刺末端扩散。肌动蛋白丝通过交联蛋白机械偶联成紧密的纤维束。有趣的是，这些蛋白质中的许多是相对较短的，限制了细胞溶质G-肌动蛋白在整个束中的自由扩散，特别是其渗透到束核心。为了研究空间限制对G-肌动蛋白通过丝状伪足肌动蛋白丝束的多孔结构扩散的影响，我们使用了一种基于粒子的随机模拟方法。我们发现，排除体积相互作用的结果在部分，然后完全崩溃的中心纤维束，导致一个空心的结构。由于交联蛋白的活性，后者可能进一步径向塌陷，从而产生圆锥形的丝束。有趣的是，成熟丝状伪足的电子显微镜实验确实经常显示肌动蛋白束在尖端较窄，在基部较宽。总体而言，我们的工作表明，在多孔网络中的反应扩散过程的背景下，排除体积效应可能会导致意想不到的几何增长模式和复杂的，历史依赖的动态中间亚稳配置。
2016-05-10 physics.bio-ph q-bio.SC
Bifurcations and nonlinear dynamics of the follower force model for active filaments
本文利用计算动力系统方法研究主动细丝随动力模型中的分岔，追踪时间周期分支并发现新的准周期状态，同时分析细长度的影响，从而全面刻画该模型的非线性动力学行为。
2024-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Fragmentation and depolymerization of non-covalently bonded filaments
蛋白质分子通常通过非共价物理键自组装形成延伸的细丝，如淀粉样蛋白、F-肌动蛋白、中间细丝等。丝生长的动力学受到分解速率的限制，在该分解速率下，由于热运动，蛋白质间的键断裂。现有的模型通常假设亚基的热解离均匀地沿着细丝发生，或者甚至优先在中间发生，而众所周知的F-肌动蛋白从一端脱附的倾向是由生化因素介导的。在这里，我们显示了一个非常一般的（和通用的）模型，使用布朗动力学模拟和理论，沿长丝的分裂位置是强烈控制的约束力的最小值的不对称性，以及由长丝的弯曲刚度。我们提供了亚基之间的相互作用势和断裂拓扑结构的功能之间的基本连接。对于中心力（即完全柔性）键，断裂速率总是在链的中间最大，而对于半柔性或刚性长丝，该速率在中间或平坦处最小。新兴的框架提供了一个统一的理解生物聚合物的碎片和解聚，并恢复其不同的限制早期的结果。
2015-03-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Constriction of actin rings by passive crosslinkers
本研究针对被动交联剂驱动肌动蛋白环收缩的现象，建立了包含交联剂缩合驱动力及摩擦、丝弯曲阻力的模型，分析了收缩力的影响因素并预测了相关力学特性，揭示了肌动蛋白丝滑动的机制。
2023-03-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic modelling of collective motor protein transport through a crossing of microtubules
真核细胞中的细胞骨架起着几个至关重要的作用。在细胞内运输方面，马达蛋白使用细胞骨架丝作为骨架，它们可以沿着骨架主动运输生物货物，例如携带生化反应物的囊泡。这些细丝之间的交叉是一个关键因素，因为它们可能改变这种有效载荷的目的地。虽然已知马达蛋白在这样的交叉点上表现出丰富的行为，但后者迄今为止仅被建模为简单的分支点。在这里，我们探讨了一个模型，两个微管之间的交叉保留的个人轨道组成的原丝，我们构建了一个示意图表示的运输路径。我们研究集体运输例示的完全不对称的简单排斥过程（TASEP），并提供了一个全面的分析的运输功能和相关的相图，通过一个通用的平均场的方法，我们确认通过基于粒子的随机模拟。特别是，我们表明，通过这样一个复合交叉运输不能近似从一个简单的分支点粗粒度的结构。相反，它产生了全新的和违反直觉的特征：交通流的基本电流密度关系不再是单值函数，而且根据它是在交叉口的上游还是下游观察到的而有所不同。我们认为，这些新的功能可能是直接相关的解释实验测量。
2020-06-18 physics.bio-ph q-bio.SC
Molecular motors stiffen non-affine semiflexible polymer networks
重构的丝状肌动蛋白网络与肌球蛋白马达蛋白形成活性凝胶，其中马达蛋白产生驱动网络远离平衡的力。这种运动活动也可以强烈影响网络弹性;实验表明，在体外网络与分子马达显着硬化。在这里，我们研究了电机产生的力对模拟的2D网络的无热刚性细丝力学的影响。我们将展示异质内部电机应力如何导致网络中的纤维弯曲模式所支配的硬化。电机被建模为力偶极子，导致肌肉样收缩。这些收缩“拉出”系统中的松弛弯曲模式，这引起向更硬的拉伸主导状态的交叉。通过这种机制，马达可以导致非线性网络响应，即使构成细丝本身是纯线性的。这些结果对活细胞的力学具有影响，并为具有可调机械性能的活性生物材料提出了新的设计原则。
2010-09-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Bayesian analysis of data from segmented super-resolution images for quantifying protein clustering
超分辨率成像技术大大提高了我们在生物系统中可视化纳米结构的能力。它们的应用进一步使人们能够潜在地定量相关参数以确定细胞中的分子组织和化学计量。然而，荧光发射和标记策略的固有随机性迫使使用专用方法来精确测量这些参数。在这里，我们描述了一种贝叶斯方法来精确定量的相对丰度的分子寡聚体从分割的图像。集群中分子数量的代理分布-例如定位数量或荧光强度-通过嵌套采样算法进行拟合，以比较复杂性不断增加的混合模型，并确定混合组分的最佳数量及其权重。我们测试了该算法的性能{ \it in silico}数据作为数据点的数量，阈值和分布形状的函数。我们将这些结果与其他统计方法获得的结果进行比较，显示了我们方法的改进性能。我们的方法提供了一个强大的工具，在拟合从荧光成像中提取的数据的模型选择，从而提高了参数确定的精度。重要的是，这种方法的最大好处发生在小统计量或不完整的数据集上，从而能够在单个图像水平上进行准确的分析。我们进一步提出了其应用的结果，从超分辨率成像的HeLa细胞中的动力蛋白的实验数据，证实了细胞质的单电机和高阶结构的混合人口的存在。
2019-09-28 physics.bio-ph physics.data-an q-bio.QM
A Toolbox for Quantifying Memory in Dynamics Along Reaction Coordinates
记忆效应在实验观测量的时间序列中是普遍存在的，对于动力学数据的解释具有重要的协序列，甚至可能影响生物分子纳米机器如酶的功能。在这里，我们提出了一套互补的方法，最终量化的大小和持续时间的记忆在一个时间序列的反应坐标。该工具箱是通用的，强大的，易于使用，并且不依赖于任何底层的微观模型。作为一个概念的证明，我们将其应用到分析的内存中的端到端的距离的解析可解的Rouse聚合物模型，一个实验的时间序列的扩展的一个单一的DNA发夹光镊测量，和一个小蛋白质的原子分子动力学模拟探测的分数的本地接触的动态。
2021-05-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Quantifying fluctuations in reversible enzymatic cycles and clocks
生化反应在分子尺度上基本上是有噪声的。这限制了反应网络的精度，但也允许波动测量，这可能揭示底层生化网络的结构和动力学。在这里，我们研究非平衡反应循环，如分子马达的机械化学循环，生物钟蛋白质的磷酸化循环，或酶的过渡态循环。在这样的周期波动可以测量使用的随机性参数，我们证明是等效的一般微观可逆循环的两个经典定义。定义了可逆循环的随机周期，并给出了其矩的解析解。此外，我们将这两种形式的随机性参数与热力学不确定性关系相关联，这限制了热力学量方面的周期的定时精度。我们的研究结果也应该被证明是有用的时间波动在更一般的网络的研究。
2018-03-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Visualizing individual microtubules using bright-field microscopy
微管是参与细胞结构和组织的棒状多聚蛋白（直径约25 nm）。我们展示了使用传统的明场显微镜，没有任何额外的相位或偏振光学个别微管的成像。通过广泛使用数字图像处理来识别由微管散射的光，从而去除背景，减少噪声并增强对比度。该设置建立在一个商业显微镜，包括一个最小的和廉价的组件集，适合在学生实验室实施。我们展示了如何将这种技术应用于一个示范性的生物物理测定，通过跟踪运动蛋白驱动的微管的运动。
2009-11-08 physics.bio-ph physics.pop-ph
DNA-Protein Binding Rates: Bending Fluctuation and Hydrodynamic Coupling Effects
我们研究扩散粒子和半柔性聚合物上的靶位点之间的扩散限制反应，这是决定DNA-蛋白质结合和细胞骨架丝聚合动力学的关键因素。我们的理论集中在两个竞争的影响：聚合物的形状波动，这加快协会，和扩散颗粒和链之间的流体动力学耦合，这减慢协会。聚合物弯曲波动使用平均场动力学理论，而聚合物和颗粒之间的流体动力学耦合是通过一个简单的启发式近似。这两个我们验证通过比较与布朗动力学模拟。这两种效应都没有得到充分考虑之前在生物物理方面，我们表明，他们是必要的，以形成准确的估计反应过程。缔合速率取决于聚合物的刚度和颗粒尺寸，表现出最大的中间持久长度和最小的中间颗粒半径。在与DNA-蛋白质结合相关的参数范围内，与简单质心运动的Smoluchowski结果相比，速率增加高达100%。理论所作的定量预测可以通过实验来检验。
2010-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
