Actively Contracting Bundles of Polar Filaments
我们引入一个唯象模型来研究通过活性元素相互作用的极丝束的性质。讨论了均匀态的稳定性、不稳定区域中动力学的吸引子以及束中产生的张应力。我们发现，平行细丝的相互作用可以诱导不稳定的行为，并负责主动收缩和张力束。反平行细丝之间的相互作用导致细丝分选。我们的模型可以应用于细胞中简单的收缩结构，如应力纤维。
2000-07-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Elasticity of 3D networks with rigid filaments and compliant crosslinks
具有柔顺交联的无序丝状网络在小应变下表现出低的线性弹性剪切模量，但在高应变下表现出显著的线性弹性剪切模量。实验表明，弹性模量可以增加高达三个数量级，而网络承受相对较大的应力而不破裂。在这里，我们在三维模型网络进行分析和数值研究。我们的模型由一组随机取向的刚性细丝组成，这些细丝通过柔性交联连接，这些交联被建模为蠕虫状链。由于在三维空间中纤维交叉的概率为零，我们的模型网络在施工中根据交叉连接中的初始张力进行预应力。我们演示了如何在这些网络的线性弹性模量可以与预应力。在无限交联密度的极限下的仿射变形的假设下，我们分析表明，在1-和2-维网络的非线性弹性制度的特点是幂律缩放的弹性模量与应力。相比之下，三维网络显示出模量对应力的指数依赖性。独立的维度，如果交联密度是有限的，我们表明，唯一持久的标度指数是单一的蠕虫状链。我们进一步表明，有没有质的变化，即使是弯曲顺应的细丝网络的硬化行为。因此，不像在以前的工作中提出的，这里研究的模型系统不能提供一个解释实验观察到的线性缩放的模量与应力在丝状网络。
2015-01-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Stress relaxation in F-actin solutions by severing
丝状肌动蛋白（F-actin）网络对大多数动物细胞的力学很重要。这些细胞骨架网络是高度动态的，具有多种肌动蛋白相关蛋白，其控制细胞骨架中的交联、聚合和力的产生。受最近的动态肌动蛋白丝的重构溶液的流变学实验的启发，我们报告了一个理论模型，描述了这些解决方案中存在的切断蛋白的应力松弛行为。我们发现，取决于组装，拆卸和切断的动力学速率，可以观察到长度依赖和长度无关的松弛行为。
2019-07-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Comparison of explicit and mean-field models of cytoskeletal filaments with crosslinking motors
在细胞中，细胞骨架丝网络负责细胞运动、生长和分裂。细胞骨架中的纤维由交联的分子马达驱动和组织。在重构的细胞骨架系统中，运动活动是导致远离平衡现象的原因，例如主动应激、自组织流动和自发性细胞缺陷产生。马达和细丝之间的微观相互作用如何导致更大规模的动力学仍然没有完全理解。为了从运动丝相互作用来预测细胞骨架系统的整体行为，需要更高效的计算技术来建模运动丝相互作用。在这里，我们推导出一个粗粒度的层次结构的明确和连续模型的交联电机，绑定到和走丝对。我们比较了不同模型的稳态电机分布和电机引起的灯丝运动，并分析了它们的计算成本。所有三个模型同意以及在限制的快速电机绑定动力学。与显式或连续密度模拟相比，电机密度的截断矩扩展加快了$10^3$ - $10^6$的计算速度，这表明了一种更有效地模拟大型网络的方法。这些工具有助于在微米到毫米的长度尺度上进一步研究电机细丝网络。
2021-02-26 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
Self-organization and Mechanical Properties of Active Filament Bundles
提出了一种极丝活动束的唯象描述。纤维束的活动是由交联引起的，交联引起排列的纤维之间的相对位移。我们的一般描述是基于束内的动量守恒。通过指定的内力，一个简单的极小模型的束动力学，捕捉一般的动态行为。特别是，收缩状态以及孤立波和振荡波出现通过动态不稳定性。丝粘附的引入导致自组织持续的丝运输。此外，计算的张力，均匀束被证明是能够积极的合同，并执行对外力的工作。我们的描述是由细胞骨架中的动态现象所激发的，并且可以应用于细胞运动过程中的应力纤维和自组织现象。
2003-03-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio
Elastic response of filamentous networks with compliant crosslinks
实验表明，具有柔顺交联的无序丝状网络的弹性与具有刚性交联的网络非常不同。在这里，我们建模和分析丝状网络作为一个集合的随机取向的刚性细丝连接到彼此的灵活的交联，被建模为蠕虫状链。对于相对较大的延伸，我们允许交叉连接的主链的平行拉伸。我们发现，对于足够高的交联密度，网络的线弹性响应是仿射的尺度上的长丝的长度。非线性制度可以成为高度非仿射的，其特征在于在有限应变的弹性模量的发散。与先前的预测相反，我们没有找到一个渐近制度，其中的微分弹性模量与应力成线性比例，虽然近似的线性相关性可以看出，在从熵的过渡到非线性制度。我们根据最近的实验结果讨论我们的结果。
2013-09-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Semiflexible polymer in a gliding assay: reentrant transition, role of turnover and activity
我们认为一个可扩展的半柔性丝在两个维度上运动的运动检测明确表示为积极的谐波接头的马达蛋白的模型。它们的头部在捕获半径内将stochemical结合到聚合物片段，并且在分离之前以定向方式沿着细丝延伸。延伸率和分离率均依赖于负载，并在细丝上产生主动驱动。纤维经历了从开链到螺旋构象的一级相变，并且在主动延伸和周转（定义为附着-脱离速率的比率）中都显示出可重入行为。与相变相关联，聚合物的尺寸和形状非单调地变化，并且相关的自相关函数显示双指数衰减。相应的相关时间显示出一个最大值，表明螺旋的优势。取向动力学捕获的旋转的螺旋，其相关时间衰减与活动的幂律。
2020-12-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Stress-dependent amplification of active forces in nonlinear elastic media
生物体中机械应力的产生在很大程度上依赖于嵌入丝状基质中的局部的、产生力的活性单元。具有固定边界的离散纤维网络的数值模拟表明，基体中的屈曲显著地放大了所产生的主动应力。在这里，我们将这一结果扩展到一个bucklable连续弹性介质受到任意的外部应力，并推导出解析表达式的活性，非线性本构关系表征的全活性介质。插入这些关系到流行的“活性凝胶”的活组织和细胞骨架的描述将使调查非线性制度以前无法访问，由于这些理论的现象学性质。
2018-05-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Polarity patterns of stress fibers
应力纤维是多细胞动物细胞骨架中常见的收缩性肌动球蛋白束。收缩肌动球蛋白束内的肌动蛋白丝的极性的空间分布是单调的（分级）或周期性的（交替）。在线性不可逆热力学的框架下，我们写出了极性、活性、弹性一维介质的本构方程。分析所得到的方程的极性动力学表明，从梯度交替极性模式的过渡是一个非平衡Lifshitz点。主动收缩是肌节极性交替模式出现的必要条件。
2010-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
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
Actively crosslinked microtubule networks: mechanics, dynamics and filament sliding
细胞骨架网络是活性物质的基础实例，并且是细胞中自组织结构的中心。在体内，这些网络是活性的和高度交联的。将它们的大尺度动力学与其组分的性质联系起来仍然是一个未解决的问题。在这里，我们研究了由微管和XCTK 2驱动蛋白马达制成的体外系统，该系统形成对齐的活性凝胶。使用光漂白，我们证明了凝胶的对齐微管，由电机驱动，不断地滑动过去的速度独立于当地的极性。在纺锤体中也观察到这种现象，但仍无法解释。我们从微观角度出发，推导出一个由分子马达交联的粗粒化微管凝胶的一般框架。利用微管-微管耦合和驱动蛋白的力-速度关系，该理论自然地解释了实验结果：马达在极性变化的区域产生主动应变率，这使得相反极性的微管能够在不对材料施加应力的情况下相互滑过。
2018-12-03 cond-mat.soft physics.bio-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
Activating membranes
我们提出了一个一般的动态理论的膜耦合到肌动蛋白皮质含有聚合丝与积极的应力和电流，并证明了积极的膜动力学[物理评论快报\textbf{84}，3494（2000）]和自发的形状振荡出现从这个描述。我们还考虑了膜的不稳定性和图案诱导的存在下，极取向的相关性在膜的切平面的细丝。我们预测的动力学特征应该在各种细胞环境中看到，包括膜-细胞骨架复合物和细胞骨架提取物与合成囊泡的动力学。
2014-05-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Stress reorganisation and response in active solids
我们提出了一个微观模型的无序粘弹性活性固体，即活性材料的长期行为是弹性的，而不是粘性。它由细丝、被动交联和由储存的化学能提供动力的分子马达组成，例如由ATP提供动力的肌动球蛋白。我们的模型使我们能够研究收缩性主动元件的集体行为，以及它们之间的相互作用和被动弹性元件如何决定主动材料的宏观力学性能。作为一个结果的（非）约束力的动态的活性元素，我们发现，该系统提供了一个高度响应的材料与动态的机械响应强烈依赖于变形量。
2014-07-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
How crosslink numbers shape the large-scale physics of cytoskeletal materials
细胞骨架网络是细胞力学的主要驱动器，也是活性物质物理学的基础范例。在细胞骨架网络中，运动是由细丝通过分子尺度的马达相互推拉而在小尺度上产生的。这些局部驱动引起大规模的应力和运动。为了理解微观过程如何在更大尺度上产生自组织行为，重要的是要考虑什么机制介导系统中的长距离机械相互作用。在最近的文献中考虑了两种情况。第一种是相对稀疏的系统，其中大部分大规模的动量传递是由细胞骨架丝悬浮的溶剂介导的。第二种是长丝通过交联分子连接的系统。在这里，我们回顾这两个制度的物理之间的差异和共性。我们还调查了文献中的数字，使我们能够把这两个类中的任何一个材料。
2021-06-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Actomyosin contractility rotates the cell nucleus
真核细胞的细胞核在活跃的细胞骨架细丝中发挥作用，但其对这些细丝所携带的应力的反应在很大程度上未被探索。我们在这里报告的结果的平移和旋转动力学的单个成纤维细胞的细胞核的研究，与细胞迁移的影响，通过电镀到纤连蛋白涂层的微制造模式抑制。使用相同面积但不同形状和/或纵横比的图案来研究细胞几何形状对动力学的影响。在圆形、正方形和等边三角形上，原子核进行持续的旋转运动，而在相同面积的高纵横比矩形上，它只来回运动。圆形和三角形分别表示最大和最小的角速度。我们表明，我们的观察可以理解，通过流体动力学的方法，在该方法中，核被视为一个高度粘性的夹杂物居住在一个较低的粘性流体的可定向丝赋予主动应力。通过引入低浓度的blebbistatin选择性地降低肌动蛋白收缩性，显著降低了细胞核角运动的速度和持续时间。肌动蛋白的延时成像揭示了细胞核周围的相关流体动力学流动，其轮廓和大小与我们的理论方法的结果一致。因此，连贯的细胞内流动和随之而来的核旋转似乎是一种普遍的性质，细胞必须通过特定的机制来平衡，以维持核内稳态。
2013-09-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Emergent Structures in an Active Polar Fluid : dynamics of shape, scattering and merger
空间局部化的缺陷结构自发出现在一个积极的极性流体的流体动力学描述，包括极性的'肌动蛋白'丝和'肌球蛋白'马达蛋白，（联合国）结合到丝和施加积极的收缩应力。这些新兴的缺陷结构的特点是不同的纹理，可以是静态或移动-我们推导出有效的运动方程，这些“扩展粒子”，并分析其形状，动力学，相互作用和散射。根据碰撞参量和推进速度，这些活性缺陷经历弹性散射或合并。我们的研究结果是相关的动态肌动球蛋白致密结构在细胞皮质，重组肌动球蛋白复合物和二维活性胶体凝胶。
2017-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Crosstalk between non-processive myosin motors mediated by the actin filament elasticity
许多生物学过程涉及与细胞骨架相互作用的分子马达的作用。有些过程，如货物的运输，主要是通过单个电机的动作来实现的。其他的，如细胞运动和分裂，需要许多马达的协同工作。集体运动动力学可能相当复杂和出乎意料。一个很好的例子是纤维的双向（“来回”）运动，这是当一组内的马达向相反方向施加力时引起的。这篇评论解决了最近的实验工作中出现的难题，它已被证明，双向运动的特征反转时间实际上是独立的电机的数量。这一结果与现有的理论模型相矛盾，该模型预测反转时间随系统大小呈指数增长。我们认为，这个难题的解决方案可能是马达之间的串扰，这是介导的弹性拉伸应力，在细胞骨架轨道的发展。串扰并不直接与电机的连接和分离相关，电机的连接和分离彼此独立地工作。然而，通过使解脱率依赖于系统尺寸，它大大加速了它们的解脱。
2011-02-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Defect states in compressible active polar fluids with turnover
本文通过可压缩主动极性流体的流体动力学描述，揭示周转能够稳定取向序场中的拓扑缺陷，并根据周转率形成晶格、主动泡沫和涡旋玻璃等多种相，从而阐明周转在组织生物活性物质中的关键作用。
2025-06-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Building rigid networks with prestress and selective pruning
研究预应力生物聚合物网络中受张力抑制的选择性修剪机制，发现该方法能使网络在低于随机修剪的配位数下保持刚性，解释了此类蛋白的演化原因。
2024-11-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
Towards the cellular-scale simulation of motor-driven cytoskeletal assemblies
细胞骨架--聚合物细丝、分子马达和交联剂的集合--是活性物质的基本例子，并且在细胞中组装成引导基本生物功能的细胞器。细胞骨架组装的模拟是模拟细胞过程和理解其惊人的材料特性的重要工具。在这里，我们提出了aLENS，一种新的计算框架，以克服传统的模拟方法的限制。我们的模型分子马达与交联动力学，坚持一个热力学能量景观，并整合系统动力学，同时有效地和稳定地执行之间的长丝-分子势的刚体排斥完全避免在施加空间约束。利用并行计算，我们模拟不同的混合物的几十万到几十万的细胞骨架丝和交联电机，重演自我涌现的现象，如束的形成和屈曲，并阐明如何电机类型，热波动，内应力，和限制决定的演变活性物质聚集体。
2022-06-09 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
The positioning of stress fibers in contractile cells minimizes internal mechanical stress
Interdisciplinary Center for Scientific Computing, Heidelberg University（海德堡大学跨学科科学计算中心）；Institute for Environmental Decisions, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院环境决策研究所）；Institute for Theoretical Physics, Heidelberg University（海德堡大学理论物理研究所）；BioQuant, Heidelberg University（海德堡大学生物定量研究中心）
该研究结合有限元方法与遗传算法，提出应力纤维以最少纤维实现细胞内最小机械应力的假设，其优化得到的纤维分布与实验吻合，且纤维呈对角走向类似复合材料增强策略。
2024-10-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
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
