TERMinator: A Neural Framework for Structure-Based Protein Design using Tertiary Repeating Motifs
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Dartmouth College（达特茅斯学院）
计算蛋白质设计有潜力提供新的分子结构，粘合剂和催化剂的无数应用。最近的神经图形为基础的模型，使用骨干坐标衍生的功能表现出优异的性能，本地序列恢复任务，是有前途的框架设计。使用三级基序（TERM）（蛋白质中重复结构的紧凑单元）建模蛋白质序列景观的统计框架在蛋白质设计任务上也表现出良好的性能。在这项工作中，我们调查使用的TERM-derived数据作为功能的神经蛋白质设计框架。我们的基于图形的架构，TERMinator，结合了基于TERM和基于坐标的信息，并输出一个波茨模型序列空间。TERMinator在天然序列恢复任务上优于最先进的模型，这表明同时利用基于TERM和基于坐标的特征有利于蛋白质设计。
2022-04-27 cs.LG q-bio.BM
Order independent structural alignment of circularly permuted proteins
环状排列连接蛋白质的N和C末端，同时在链的其他地方切割，为产生新的蛋白质折叠和功能提供了重要的机制。然而，它们在基因组中是未知的，因为目前的检测方法可能会错过许多事件，将随机重复误认为是循环排列。在这里，我们开发了一种方法来检测循环排列的蛋白质结构比较。序列顺序无关的蛋白质结构比对可以看作是最大权独立集问题的一个特例，这是已知的计算困难。通过反复求解一个适当的中间整数规划公式的松弛，我们开发了一个有效的近似算法，我们表明，近似比$r = 1/4$的理论最坏情况比好得多。文献中报道的环状排列的蛋白质可以用我们的方法快速识别，而它们逃脱了公开可用的服务器进行结构比对的检测。
2004-07-29 q-bio.BM
Loop-closure principles in protein folding
简单的理论概念和模型有助于理解单结构域蛋白质的折叠速率和路径。正如本文所述，这些模型的物理原理似乎是环路闭合。
2007-09-21 q-bio.BM
Analysis of the Equilibrium and Kinetics of the Ankyrin Repeat Protein Myotrophin
我们应用Wako-Saito-Munoz-Eaton模型来研究肌营养蛋白，一种小的锚蛋白重复蛋白，其折叠平衡和动力学最近已被实验表征。该模型，这是一个本地为中心的二元变量，提供了一个更精细的微观细节比伊辛模型，最近已被应用于一些不同的重复蛋白质，同时仍然适合于一个精确的解决方案。在部分协议的实验中，我们的研究结果揭示了一个弱的三态平衡和两个国家一样的野生型蛋白质的动力学，尽管存在一个非平凡的自由能配置文件。这些特征似乎与自由能景观的精心“设计”有关，因此突变可以改变这一图景，稳定一些中间体并改变限速步骤的位置。此外，两个替代途径，N-末端和C-末端的实验结果，定性确认，即使实验突变后的变化率不能定量再现。有趣的是，折叠和展开途径似乎是不同的，即使密切相关：一个属性，通常不考虑在实验数据的现象学解释。
2011-03-01 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Tangle Solutions for a Family of DNA-Rearranging Proteins
我们研究了两个系统的纠缠方程时出现的建模的整合酶家族的蛋白质对DNA的作用。这两个系统-正向和反向重复序列-对应于初始DNA序列的两种不同的可能性。我们提出了一类新的解决方案的缠结方程。在反向重复序列的情况下，我们证明，任何解决方案，而不是在这些，或2以前已知的类，将不得不属于一个特定的类。在直接重复的情况下，我们证明了这三类是唯一可能的解决方案。
2004-12-23 math.GT q-bio.BM
Physical principles of building protein megacomplexes in a crowded milieu
University of Washington（华盛顿大学）；University of Kansas Medical Center（堪萨斯大学医学中心）；Geminus.ai, Inc（Geminus.ai公司）；Pacific Northwest National Laboratory（太平洋西北国家实验室）
研究通过统计物理框架揭示了在拥挤环境中蛋白质超大复合物组装的物理机制，发现发散蛋白质通过排除体积作用协调组装，为理解细胞结构提供了新视角。
2026-02-22 q-bio.BM
A Global and Local Structure-Based Method for Predicting Binary Protein-Protein Interaction Partners: Proof of Principle and Feasibility
我们报道了一种基于三维结构的预测蛋白质相互作用伙伴的方法。它包括筛选代表蛋白质-蛋白质复合物界面处相互作用氨基酸的四面体对，每个原聚体上有一个四面体。首先确定在它们的界面处的H-键和VDW相互作用，然后构建代表相互作用的氨基酸的主链或侧链质心的相互作用四面体基序（每个原聚体一个）。该方法要求首先将蛋白质原聚体转化为双质心简化表示（Reyes，V.M. & Sheth，V.N.，2011; Reyes，V.M.，2015年a）。该方法适用于一组801蛋白质结构的PDB未知功能，这是筛选对四面体图案的特点，九个二元复合物，即：（1）。RAP-Gmppnp-cRAF 1 Ras结合结构域;（2.）RHOA-蛋白激酶PKN/PRK 1效应结构域;（3.）RAC-HOGD 1;（4.）RAC-P67PHOX;（5.）激酶相关磷酸酶（KAP）-磷酸CDK 2;（6.）Ig Fc-蛋白A片段B;（7.）Ig轻链二聚体;（8.）β连环蛋白-HTCF-4;和（9.）IL-2同源二聚体。我们的搜索方法发现33，297，62，63，120，0，108，16和504推定的复合物，分别。在考虑了原聚体之间的界面重叠程度之后，这些数目分别被显著地削减至4、2、1、8、3、0、1、1和1。阴性和阳性对照实验表明，筛选过程具有可接受的特异性和灵敏度。通过应用CP和TS方法（Reyes，V.M.，2015年b），用…
2015-03-24 q-bio.BM
Properties and Origins of Protein Secondary Structure
蛋白质含有大部分规则的重复构象，称为二级结构。一个简单的，通用的二级结构的定义，其中包括测量沿蛋白质链的局部相关性。使用这个定义和一个简单的蛋白质模型，驱动二级结构形成的力量进行了探索。能量和熵的相对作用进行了研究。最近的研究表明，压实足以产生二级结构。我们测试这个假设，使用简单的非晶格蛋白质模型。
1994-02-03 cond-mat q-bio.BM
Improving the Hole Picture: Towards a Consensus on the Mechanism of Nuclear Transport
本文探讨了核孔复合体（NPC）中动态FG重复核孔蛋白在核质运输中的机制，指出新技术与先进建模将推动原子级动态描述，并助力理解NPC功能失调相关疾病。
2023-04-06 q-bio.BM
Opening Amyloid-Windows to the Secondary Structure of Proteins: The Amyloidogenecity Increases Tenfold Inside Beta-Sheets
一般来说，人工智能（AI）的方法，特别是机器学习，在许多科学领域不断征服新的领域。这些技术的大多数应用仅限于大型数据集的分类，但很少能从这些工具中推断出新的科学知识。在这里，我们表明，一个基于AI的淀粉样蛋白基因预测可以强烈区分边界和内部六聚体的$β$折叠片时，筛选所有的蛋白质数据库存储的同源过滤的蛋白质结构。我们的主要结果表明，预测$β$折叠的30%以上的内部六聚体是淀粉样蛋白形成的，而在边缘区域之外，预测只有3%是淀粉样蛋白形成的。这一结果可能阐明了蛋白质防止转变为淀粉样蛋白的一般保护机制：如果$β$ -片层的边界是淀粉样蛋白生成的，那么整个$β$片层可以更容易地转变为不溶性淀粉样蛋白结构，其特征在于周期性重复的平行$β$ -片层。我们还提出，没有类似的现象存在于边界上的$α$ -螺旋或随机选择的所研究的蛋白质结构的双螺旋。
2022-10-21 q-bio.BM
Protein structures and optimal folding emerging from a geometrical variational principle
新的数值技术，通过分析芽孢杆菌RNA酶和胰凝乳蛋白酶抑制剂，验证，用于阐明所起的至关重要的作用，由蛋白质骨架的几何形状在引导折叠到正确的天然状态。据发现，无论序列，天然状态的蛋白质具有非常大的数量的构象与给定量的结构重叠相比，其他紧凑的人工骨干;此外，相同长度的无关蛋白质的构象熵几乎相等，在任何给定的折叠阶段。这些结果提示了蛋白质进化的极端性原则，而这反过来又与二级结构的出现有关。
1998-11-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
A first-principles model of early evolution: Emergence of gene families, species and preferred protein folds
在这项工作中，我们开发了一个早期进化的微观物理模型，其中表型，生物体的预期寿命，是直接相关的基因型，其蛋白质在其天然构象的稳定性，可以在模型中准确地确定。在计算机上模拟模型，我们始终观察到大爆炸的情况下，指数人口增长englomerate一旦有利的序列结构组合（稳定蛋白质的前体）被发现。在此基础上，结构空间的随机多样性突然崩溃为一小部分优选蛋白质。我们观察到，蛋白质折叠在种群中保持稳定和丰富的时间尺度远远大于突变或生物体的寿命，和分布的优势折叠的寿命在一个人口近似遵循幂律。新折叠的发现和新序列的产生之间的进化时间尺度的分离引起了蛋白质家族和超家族的出现，其大小是幂律分布的，紧密匹配真实蛋白质的相同分布。在种群水平上，我们观察到物种的出现，携带相似基因组的亚种群。此外，我们提出了一个简单的理论，涉及到不断发展的蛋白质的稳定性新兴基因组的大小。总之，这些结果提供了第一个基因家族在早期进化过程中如何发展的微观第一原理图
2007-05-26 q-bio.BM q-bio.PE
Physical principles underpinning molecular-level protein evolution
该研究通过区分趋同与趋异进化模型，分析了控制蛋白质分子水平进化的多种因素，初步揭示了热力学假说（Anfinsen法则）与蛋白质进化的紧密关系，为解决关键进化生物学挑战提供了新思路。
2024-12-19 q-bio.BM q-bio.PE
Towards deep learning sequence-structure co-generation for protein design
本文综述面向蛋白质设计的深度生成模型，重点梳理序列-结构协同生成方法的原理、评估方式、最新进展及未来发展机遇。
2024-10-02 q-bio.BM
Protein Structure Prediction: The Next Generation
在过去的10-15年里，从统计力学的角度对蛋白质折叠的化学反应有了普遍的认识。从基于能量景观思想的蛋白质折叠动力学中吸取的经验教训有益于蛋白质结构预测，特别是粗粒度模型的开发。我们调查的结果从盲目的结构预测。我们探讨如何第二代预测能量函数可以通过引入信息从以前模拟的结构合奏。这一程序依赖于一个漏斗形的能源景观的假设，符合最小挫折的原则。与基于序列比对选择的实验蛋白质结构相比，第一代模拟结构为关联记忆能量函数提供了改进的输入。
2006-06-12 q-bio.BM
Lymphotactin: how a protein can adopt two folds
变形蛋白质，如蛋白质发光素，是一个值得注意的例外的经验原则，结构化的天然蛋白质具有独特的三维结构。特别是，人趋化因子趋化蛋白（Ltn）在生理条件下以两种不同的构象（一种单体和一种二聚体）存在。在这项工作中，我们使用一个Ca Go模型来展示如何复制这种非常奇特的行为。从热力学和动力学的研究，我们表征的相互转换机制。特别是，这是通过生活在第三个单体，部分未折叠的状态下的两条链的对接发生的，该状态显示出涉及两种天然构象共有的一组局部接触的残留结构。双重蛋白的主要特征似乎是两个不同的折叠之间共享一组共同的局部接触，如通过对两个设计的双重蛋白的研究所证实的。变形蛋白可能比预期的更常见。
2009-09-25 q-bio.BM
The Principle of Stationary Action in Biophysics: Stability in Protein Folding
从各种初始条件可靠地进行到唯一的最终形式的过程，而不管适度变化的条件，在生物物理学中具有明显的重要性。蛋白质折叠就是一个很好的例子。我们表明，作用原理可以直接应用于研究生物过程的稳定性。经典物理学中的作用量原理从作用量的第一个变分开始，并立即导致运动方程。作用量的第二种变化以一种自然的方式引出了强有力的定理，这些定理提供了对稳定性和聚焦的定量处理，并且还解释了一些非常复杂的过程如何表现得好像一些看似重要的力消失了一样。我们首先将这些想法应用到两态折叠中的非平衡态。我们处理扭转波，并使用作用原理来讨论动力学中的临界点。对于某些蛋白质，该理论类似于TST。我们得出了一些定量和定性的结论。除了解释为什么TST经常工作在折叠，我们发现，明显的平滑的能量漏斗是一个自然的结果，假定的临界点的动力学。这些想法也解释了为什么生物蛋白质可以折叠成独特的状态，而随机聚合物却不能。临界点的存在导致的对扰动的不敏感性解释了在稀释变性剂的存在下折叠成独特形状是如何发生的，尽管这些变性剂破坏了天然状态的折叠结构。本文有助于理论armamentarium的注意力的逻辑进展，从第一物理原理的稳定性定理有关的突变理论适用于折叠。这可能在生物物理学中取得与光学相同的成功。
2013-12-12 physics.bio-ph q-bio.BM
Thermal Folding and Mechanical Unfolding Pathways of Protein Secondary Structures
通过类GO模型的分子动力学模拟研究了二级结构的机械拉伸。力-位移曲线作为牵引装置的刚度和速度的函数进行了研究。拉伸事件的连续性，如通过接触破裂的顺序所测量的，与热折叠和展开期间的事件序列进行比较。发现$α$ -螺旋和$β$ -发夹结构存在相反的交叉相关性。在两个$α$ -螺旋的串联中，两个组成螺旋几乎同时解开。同时与顺序解开的重复单元的一个简单的条件。
2001-12-11 cond-mat.soft q-bio.BM
Detection of an ancient principle and an elegant solution to the protein classification problem
这项工作是关于发展一个有充分根据的，理论上合理的，最不复杂的指标与酶的蛋白质分类。催化结构域作为酶家族的特征分子，很容易被识别。鉴于分类问题到目前为止似乎是棘手的，从催化域派生的分类模式将是令人满意的。在这里，我表明，存在一个自然的从头算，如果不明显的基础上理论，酶的催化结构域是唯一的信息，其监管。这说明了它的功能。基于这一假设，描述了一种将钾离子通道正确分类到它们各自的亚家族中的方法。为了使这一原则更加坚实，通过共同进化分析寻求并获得了额外的验证。协同进化分析揭示了钾离子通道蛋白是功能模块化的概念的偏离。这一发现进行了讨论，根据流行的概念域。这些研究表明，基因的催化结构域与其结合结构域的显着共同进化是进化中融合和交换事件之后的一个专门的必要过程。这一发现的许多方面可能在蛋白质科学中普遍存在。
2007-08-16 q-bio.BM q-bio.GN q-bio.QM
Protein Folding: The Gibbs Free Energy
蛋白质折叠的基本定律是热力学原理：蛋白质的氨基酸序列决定其天然结构，天然结构具有最小吉布斯自由能。如果所有的化学问题都可以用量子力学来回答，那么对于蛋白质的每一种可能的构象X，都应该有吉布斯自由能公式G（X）的量子力学推导。我们应用量子统计学推导出这样一个公式。为简单起见，只涵盖单体自我折叠球状蛋白。我们指出一些直接应用的公式。我们表明，该公式很好地解释了所观察到的现象。对折叠和变性给出了统一的解释;解释了为什么疏水效应是蛋白质折叠的驱动力，阐明了氢键所起的作用;解释了各种表面积模型的成功与不足。该公式还给出了折叠的明确动力学：Fi（X）= - \nablaxi G（X）。这也提供了一种自然的方法来进行蛋白质结构的从头预测，通过牛顿最快下降法来最小化G（X）。
2012-04-08 q-bio.BM
General Principles of Secondary Active Transporter Function
离子和小分子逆着电化学梯度穿过细胞膜的运输由整合的膜蛋白催化，所述膜蛋白使用自由能的来源来驱动运输的底物的能量向上流动。次级主动转运蛋白将Na $^+$或H $^+$等“驱动”离子的自发流入偶联至底物的通量。这种循环非平衡系统的热力学是很好理解的，最近的工作集中在次级主动运输的分子机制。事实上，这些转运蛋白以循环方式在向内和向外构象之间改变其构象，称为交替进入模型，被广泛认为是描述转运蛋白功能的分子框架。高分辨率的结构和详细的计算机模拟导致识别不同的转运蛋白家族之间的共同分子水平的原则。二级主动转运蛋白的反向重复对称性揭示了蛋白质结构如何编码双稳态系统。三大类交替访问转换已被描述为摇杆开关，摇杆束，和电梯机制。转运蛋白可以理解为具有至少两个偶联门的门控孔，其映射到转运蛋白的不同部分。列举所有不同的门状态自然包括交替访问图片中的封闭状态，并表明可观察到的蛋白质构象。通过在动力学模型中连接可能的构象状态和离子/底物结合状态，出现了一个统一的画面，其中同向转运体，反向转运体和单向转运体功能是功能连续体中的极端。我们简要地讨论了如何生物的复杂性可能被整合在定量动力学模型，提供一个桥梁，从结构到功能。
2022-03-23 q-bio.BM
Protein Conformational States: A First Principles Bayesian Method
National Center for Computational Sciences（国家计算科学中心）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
从结构的集合模拟中自动识别蛋白质构象状态是一个困难的问题，因为它需要教计算机识别形状。我们采用了来自机器学习社区的朴素贝叶斯分类器，用于原子对原子的成对接触。其结果是一个无监督的学习算法，采样的“分布”超过潜在的分类方案。我们将分类器应用于一系列测试结构和一个真实蛋白质，表明它在大多数情况下以> 95%的准确率识别构象转变。我们适应的一个重要特征是与信息熵的新联系，它允许我们改变结构细节的水平，而不会破坏分类。当原子数和时间样本的数量变化超过1.5个数量级时，通过比较结果证实了这一点。此外，该方法的推导从贝叶斯分析的一组原子间的接触，使其易于理解和扩展到更复杂的情况下。
2020-09-08 cs.LG physics.comp-ph q-bio.BM
Modular decomposition of protein structure using community detection
随着解决的蛋白质结构数量的增加，对该数据集进行荟萃分析的机会也增加了。已知蛋白质结构由结构域形成;结构和功能亚基通常在蛋白质组中重复。这些结构域通常形成紧凑的球状区域，因此通常容易通过检查识别，但自动将蛋白质片段化为这些紧凑的亚结构的问题在计算上仍然具有挑战性。现有的结构域分类方法集中在寻找保守的蛋白质结构的子区域，而不是寻找跨越整个蛋白质结构的分解。然而，这样的分解将在粗粒化分子动力学，分析蛋白质的拓扑结构，在从头蛋白质设计和拟合电子显微镜图中找到现成的应用。在这里，我们提出了一个工具，用于执行此模块化分解使用的信息地图社区检测算法。蛋白质结构被抽象成一个网络，其中它的氨基酸是节点，并使用一个简单的邻近测试生成的边缘。然后，信息图谱可以用于识别蛋白质的高度内部连接区域。我们对来自蛋白质数据库的4000种不同的蛋白质结构进行了系统的分解。所获得的分解与现有的PFAM序列分类很好地相关，但具有跨越整个蛋白质的优点，具有新结构域的潜力。由社区形成的粗粒度网络也可以用作单链水平上蛋白质拓扑结构的代理;我们证明了将这些蛋白质按其粗粒度网络分组会导致功能显著的分类。
2018-09-18 physics.bio-ph q-bio.BM
Commutative Algebra Learning for Protein Flexibility Analysis
University of North Carolina at Charlotte（北卡罗来纳大学夏洛特分校）
提出基于交换代数的学习框架CAL，通过构建多尺度局部代数描述符，在364个蛋白质数据集上相比经典高斯网络模型预测精度提升34.5%，并实现跨蛋白质B因子盲预测。
2026-07-01 q-bio.BM
First-principles data set of 45,892 isolated and cation-coordinated conformers of 20 proteinogenic amino acids
我们提出了一个结构数据集的20个蛋白原氨基酸和它们的氨基甲基化和乙酰化（加帽）二肽。考虑了氨基酸骨架的不同质子化状态（不带电和两性离子）以及不同的侧链质子化状态。此外，我们还研究了氨基酸和二肽与二价阳离子（Ca~（2+）、Ba~（2+）、Sr~（2+）、Cd~（2+）、Pb~（2+）和Hg~（2+））的络合物。该数据库涵盖了280个系统的构象层次结构，其相对能量范围高达4 eV（390 kJ/mol），总计45，892个固定点。所有的系统都是在平等的第一性原理的基础上计算的，在广义梯度近似中应用密度泛函理论，对长程范德华相互作用进行了校正。我们表现出良好的协议，气相离子亲和力的实验数据。例如，我们的策划数据可以用于生命构建模块的化学空间的广泛比较，用于蛋白质力场的参数化，以及用于生物物理应用的参考光谱的计算。
2016-01-10 physics.atm-clus physics.chem-ph q-bio.BM
Contact statistics highlight distinct organizing principles of proteins and RNA
虽然RNA和蛋白质都具有密集的天然结构，但这两种生物聚合物的链组织是根本不同的。最近发现染色质折叠，间期染色体的领土组织的签名指向亚稳定性的动机，我们分析了蛋白质数据库中存放的生物分子结构，发现链内接触概率，$P(s)$作为弧长$s$的函数，在$s$，$10\lesssim s\lesssim 110$的中间范围内的幂律$\sim s^{-γ}$衰减。我们发现，接触概率标度指数为$γ\approx 1.11$的大RNA（$N>110$），$γ\approx 1.41$的小尺寸RNA（$N<110$），和$γ\approx 1.65$的蛋白质。考虑到高斯统计预期在聚合物熔体中完全平衡的链，在天然状态下大RNA的子链的$γ$值与$γ=1.5$的偏差表明RNA的链构型没有完全平衡。视觉上清楚的是，大尺寸RNA（$N\gtrsim 110$）的折叠结构采用褶皱结构，被划分成由沿着链的近端序列组装的模块化多结构域，而折叠蛋白质的多肽链看起来更好地与结构的其余部分混合。我们对大RNA的$γ\approx 1$的发现可能是折叠过程中二级到三级元件的等级排序的必然结果。
2016-04-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Network measures for protein folding state discrimination
蛋白质折叠是一种双态或多态的动力学机制，但到目前为止还没有一个第一性原理模型来解释这种不同的行为。我们利用蛋白质结构的网络特性，通过引入新的观测值来解决不同类型的折叠动力学分类的问题。这些观测值显示了一个简单的物理意义，在振动模式，可能的配置与天然蛋白质结构兼容，折叠协同性。这些观测的相关性支持的分类性能高达90%，即使是简单的分类，如disciminant分析。
2015-12-03 q-bio.BM q-bio.MN
Sparks: Multi-Agent Artificial Intelligence Model Discovers Protein Design Principles
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
提出多模态多智能体AI模型Sparks，通过自主执行假设生成、实验设计和迭代优化等完整发现周期，在蛋白质科学中发现了肽力学长度依赖交叉和二级结构稳定性图谱等未知原理。
2025-04-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cs.AI
Designability and Thermal Stability of Protein Structures
据信，自然界中只有大约1,000种不同性质的蛋白质折叠。在这里，我们回顾了理论研究，这些研究表明，一些折叠本质上比其他折叠更可设计，{ \it即}。是大量序列的最低能量状态。与这些折叠相关的序列也被发现是异常热稳定的。高度可设计的结构和高度稳定的序列之间的联系通常被称为“可设计性原理”。可设计性原则可能有助于解释自然褶皱数量少的原因，也可能指导新褶皱的设计。
2003-03-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Multi-scale sequence correlations increase proteome structural disorder and promiscuity
大量的实验表明，生物体蛋白质组中存在着高度的混杂性和结构紊乱。在这里，我们问的问题是什么使蛋白质混杂，即，倾向于非特异性相互作用，并且结构无序。我们预测蛋白质序列内氨基酸位置的多尺度相关性在统计学上增强了混杂的蛋白质内和蛋白质间结合的倾向。我们发现，序列之间的相关性氨基酸相同类型的统计学增强结构紊乱的蛋白质和生物体蛋白质组的枢纽。我们还表明，结构无序的蛋白质具有显着更高程度的序列顺序比结构有序的蛋白质。我们开发了一个分析理论，这种效果和预测的稳健性，我们的结论相对于氨基酸组合物和相互作用序列之间的微观电位的形式。我们的发现对于理解由序列重复延伸引起的蛋白质聚集疾病的分子机制具有重要意义。
2011-05-09 q-bio.BM q-bio.GN q-bio.MN
Structure Space of Model Proteins --A Principle Component Analysis
本文研究二维正方形格点上所有紧结构的空间，格点大小为$N=6\times6$。根据疏水模型，将每个结构映射到$N$维度的载体上。以前的工作表明，结构的可设计性是密切相关的分布在$N$维空间中的结构矢量，与高度可设计的结构主要发现在低密度区域。我们使用主成分分析来探测和表征结构向量的分布，并发现一个不均匀的单峰密度。有趣的是，该峰的主轴几乎与傅立叶本征向量对齐，并且对应的傅立叶本征值在交替模式（$q=π$）的波数处连续地变为零。这些观察提供了一个垫脚石的结构点的分布的分析描述，并打开了通过简单的傅立叶变换的疏水性相应的序列的可能性，估计现实结构的可设计性。
2002-09-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
In-silico folding of a three helix protein and characterization of its free-energy landscape in an all-atom forcefield
我们报告的可重复的第一性原则折叠的40个氨基酸，三个螺旋头部分的艾滋病毒辅助蛋白在最近开发的全原子自由能力场。使用适应盆跳跃方法的二十个模拟中的六个收敛到优于3 μ m的骨干RMS偏差到实验结构。使用这种蛋白质的60，000多种低能构象，我们构建了一个诱饵树，完全表征了它的折叠漏斗。
2003-10-29 physics.bio-ph physics.comp-ph q-bio.BM
Programmable Molecular Composites of Tandem Proteins with Graphene-Oxide for Efficient Bimoprh Actuators
二维（2D）材料光谱的快速扩展推动了对2D复合材料和异质结构制造的研究。二维材料的高度有序结构为精确控制复合材料的最终结构和性能提供了良好的平台。然而，对粘附材料的结构及其与高度有序的2D材料的相互作用的有限控制导致具有较差性能的有缺陷的复合材料。在这里，我们展示了成功的合成，整合和表征的混合2D材料系统组成的串联重复（TR）蛋白的启发鱿鱼环齿和氧化石墨烯（GO）。TR蛋白层充当GO层之间的独特可编程分子间隔区。作为一个应用，我们进一步证明了热驱动使用双压电晶片分子复合薄膜。由分子复合膜（GO/TR）制成的双晶致动器可以导致比由GO层和TR蛋白质层组成的常规双晶致动器高18倍的能量效率（即，GO和TR的常规块体复合材料）。此外，分子复合双晶致动器可以通过使用具有更高分子量的TR蛋白质达到高达1.2cm-1的曲率值，这是常规GO和TR复合材料的3倍。
2017-01-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Generating Tertiary Protein Structures via an Interpretative Variational Autoencoder
George Mason University（乔治梅森大学）
许多跨学科的科学探索都建立在对将形式与功能联系在一起的动态系统的机械处理之上。一个非常明显的例子是在分子生物学中，其中一个重要的目标是确定蛋白质分子与活细胞中的分子伴侣相互作用的功能相关形式/结构。这一目标通常是在随机优化的保护伞下追求的，其算法优化了评分函数。研究一再表明，目前的评分功能，虽然稳步改善，与分子活性弱相关。受生成式深度学习的最新发展势头的启发，本文提出并评估了一种生成蛋白质功能相关三维结构的替代方法。虽然典型的深度生成模型难以处理高度结构化的数据，但本文提出的工作通过图形生成模型规避了这一挑战。对几种深层结构的综合评价显示了生成模型在直接揭示采样新三级结构的潜在空间方面的前景，以及在突出承载结构意义的轴/因素和打开通常与深层模型相关的黑盒子方面的前景。这里介绍的工作是第一步，解释性的，深入的生成模型成为可行的和信息丰富的补充方法，蛋白质结构预测。
2021-06-16 cs.LG q-bio.BM stat.ML
Characterizing protein crystal contacts and their role in crystallization: rubredoxin as a case study
结构生物学和软物质领域已经独立地寻找使蛋白质结晶合理化的基本原理。然而，这两个学科之间的概念差异和有限的重叠迄今为止阻碍了对这一现象的全面理解。我们进行了计算研究的蛋白质从rubredoxin家庭的桥梁这两个领域。使用原子模拟，我们表征他们的晶体接触，并相应地parameterized补丁粒子模型。将这些示意性模型的相图与实验结果进行比较，使我们能够批判性地研究这两种方法背后的假设。该研究还揭示了蛋白质-蛋白质相互作用的特征，这些特征可以用来更普遍地结晶蛋白质。
2013-11-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Are Protein Folds Atypical?
蛋白质结构是所有可能结构中非常特殊的一类。有人认为，“可设计性原则”在自然界选择蛋白质序列和结构方面起着至关重要的作用。在这里，我们提供了这样的选择原则的理论基础，使用一种新的配方的蛋白质折叠问题的基础上疏水相互作用。当追踪骨架时，结构被简化为分别表示表面和核心位点的0和1的串。因此，每个结构都与高维空间中的一个点相关联。序列由其疏水性的串表示，因此可以映射到相同的空间。在这个空间中，与任何其它结构相比，更靠近特定结构的序列将以该结构作为其基态。非典型结构，即那些远离其他结构在高维空间，有更多的序列折叠到他们，并在几何上更稳定。我们认为，最常见的折叠蛋白质是最不典型的空间中可能的结构。
1997-09-06 adap-org cond-mat.stat-mech nlin.AO
Single-Cell Proteomic Technologies: Tools in the quest for principles
Northeastern University（东北大学）；Parallel Squared Technology Institute（平行平方技术研究所）
本文综述了单细胞质谱蛋白质组学技术的发展，探讨了不同技术方案的权衡与协同效应，强调其在建立机理生物物理模型和发现新原理中的潜力。
2025-06-22 q-bio.BM q-bio.MN q-bio.QM
A topological perspective into the sequence and conformational space of proteins
氨基酸的精确序列在蛋白质的三级结构及其功能特性中起着核心作用。疏水极性晶格模型提供了有关能源景观的宝贵见解。我们在这里证明了蛋白质序列和可设计的结构之间的同构非常长的氨基酸链的二维和三维lattice蛋白质使用精确的计数和直观的considerations.We强调，氨基酸残基的拓扑安排单独是足够的推导出可设计的和不可设计的序列，而无需明确的求助于能量和简并。结果表明，在二维和三维的蛋白质的现实晶格模型的计算可行性，并暗示，结构的设计的基本原则是疏水性和极性残基的连接。
2015-03-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A Gauge Field Theory of Chirally Folded Homopolymers with Applications to Folded Proteins
我们结合规范不变性与非本征弦几何的原则，开发一个晶格模型，可以用来从理论上描述手性，无支链的均聚物的性质。我们发现，在其低温阶段的模型是在相同的普适性类与蛋白质的存储在蛋白质数据库中，在这个意义上的紧凑性指数。我们应用该模型来分析折叠蛋白质的各种统计方面。奇怪的是，我们发现它可以产生与蛋白质数据库中的数据非常匹配的结果。
2010-08-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech hep-lat
Protein folding and binding can emerge as evolutionary spandrels through structural coupling
蛋白质和其他分子之间的结合相互作用介导许多细胞过程，包括代谢、信号传导和基因表达的调节。这些相互作用的进化是为了响应蛋白质的化学或物理环境的变化（如添加抗生素），或者当基因复制和分化时。最近的几项研究表明，折叠稳定性在限制蛋白质进化中的重要性。在这里，我们调查如何结构之间的耦合蛋白质折叠和结合-事实上，大多数蛋白质只能结合其目标时折叠-引起的进化之间的耦合特性的折叠稳定性和结合强度。使用生物物理和进化建模，我们展示了这些蛋白质性状如何成为进化的“拱肩”，即使它们不赋予内在的健身优势。特别是，蛋白质可以进化出强的结合相互作用，其没有功能作用，而仅仅在错误折叠有害的情况下起到稳定蛋白质的作用。此外，这些蛋白质可能具有不同的命运，根据随机突变事件进化为结合或不结合其靶标。这些观察结果可以解释在高通量测定中观察到的蛋白质之间的明显非功能性相互作用的丰度。相反，对于具有功能性结合和有害错误折叠的蛋白质，进化在生物物理特征的水平上可能是高度可预测的：适应性路径被严格限制为首先获得额外的折叠稳定性，然后随着新的结合功能的发展而部分失去它。这些发现对于我们理解天然和工程蛋白质的基本进化原理具有重要意义。
2014-08-17 q-bio.BM q-bio.PE
Emergence of the protein universe in organismal evolution
在这项工作中，我们提出了一个生物体进化的物理模型，其中表型，生物体预期寿命，是直接相关的基因型，即其蛋白质的稳定性，可以准确地确定在模型中。在计算机上模拟模型，我们始终观察到大爆炸的情况下，指数人口增长englomerate作为有利的序列结构组合（稳定蛋白质的前体）被发现。在此之后，随机多样性的结构空间突然崩溃成一个小的首选结构图案集。我们观察到，蛋白质折叠在种群中保持稳定和丰富的时间尺度远远大于突变或生物体的寿命，和分布的优势折叠的寿命在一个人口近似遵循幂律。新折叠的发现和新序列的产生之间的进化时间尺度的分离引起了蛋白质家族和超家族的出现，其大小是幂律分布的，紧密匹配真实蛋白质的相同分布。进化蛋白质域的结构相似性网络具有与实际蛋白质域域图（PDUG）相同的无标度特征。此外，该模型预测，古老的蛋白质结构域代表了所有蛋白质结构域的高度连接和聚集的子集，与现实完全一致。总之，这些结果提供了蛋白质结构和基因家族在进化过程中如何进化的微观第一原理图。
2007-01-17 q-bio.BM q-bio.PE
Protein contact networks at different length scales and role of hydrophobic, hydrophilic and charged residues in protein's structural organisation
蛋白质的三维结构是其组成氨基酸在三维空间中相互作用的结果。以氨基酸为节点，以氨基酸间的相互作用为边，构建了不同长度尺度的蛋白质接触网络。长、短程相互作用由氨基酸在主链上的位置决定，而接触网络是基于氨基酸的三维空间距离构建的。我们进一步将这些网络分为疏水、亲水和带电残基的子网络。我们的分析表明，一个显着更高的百分比的疏水亚簇的长程疏水网络有助于蛋白质在沟通必要的信息，蛋白质折叠一方面;另一方面，疏水亚基的聚集系数值越高，簇在减缓该过程中起主要作用，使得可以通过氨基酸的内部连接性实现必要的局部和全局稳定性残基此外，更高程度的疏水长程相互作用表明它们在蛋白质折叠和稳定性中的作用更大。小范围全氨基酸网络具有层次结构特征。目前的分析与其他证据表明，在蛋白质的三维构象空间中，连接的增长不是通过优先连接或随机连接进化的;相反，它遵循一个特定的结构必要性为基础的指导原则-其中一些相互作用是主要的，而其他的，作为这些主要相互作用的结果是次要的。
2010-07-23 q-bio.BM q-bio.MN
Design principles of natural light harvesting as revealed by single molecule spectroscopy
生物学提供了适应、创新和灵感的无限源泉。存在各种各样的光合生物，它们能够使用丰富且低成本的材料以非常有效的方式收集太阳光。这些天然捕光复合物由蛋白质组成，这些蛋白质强烈结合高密度的发色团以捕获太阳光子并将激发能量快速转移到光化学反应中心。收集的光的量也被精细地调整到太阳辐射的水平，以保持反应中心的恒定能量通量，并避免电荷分离产物的积累。在这篇综述中，将讨论最近的发展，在理解光收集的植物，从单分子光谱学研究获得的结果的基础上。重点介绍了植物主要捕光天线的三个设计原则：（a）精细的光敏控制内在蛋白质紊乱，以有效地利用内在可用的热能耗散机制;（b）设计低能发色团二聚体的蛋白质微环境，以控制阴影吸收量;（c）激子歧管的设计，以确保所收集的光到终端发射器簇的有效的漏斗。
2015-12-15 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Design of elastic networks with evolutionary optimised long-range communication as mechanical models of allosteric proteins
变构效应通常是蛋白质活性的基础，阐明变构现象所特有的通用设计方面和功能原理是一个重大挑战。在这里，一种方法，其中包括在合成结构的硅设计，作为变构的主要元素，编码动态远程耦合两个网站之间的。结构由弹性网络表示，类似于真实蛋白质的粗粒度模型。实施进化优化策略以迭代地改进变构偶联。在所设计的结构中，从应变传播的角度分析了变构相互作用，并将进化过程中出现的简单途径确定为建立远程通信的签名。此外，还证明了变构性能对突变的稳健性。事实证明，设计的原型结构显示出类似于真实变构蛋白质的动力学特性。因此，它们可以作为复杂变构系统（如蛋白质）的玩具模型。
2017-02-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
Building blocks of protein structures -- Physics meets Biology
球状蛋白质的天然状态结构是稳定的，并且包装良好，这表明在折叠条件下，自相互作用优于蛋白质-溶剂相互作用。我们以此为指导原则，推导出蛋白质结构的构建模块的几何结构，α-螺旋和链组装成β-折叠，没有可调参数，没有氨基酸序列信息，也没有化学。在数学和物理学的要求与量子化学的规则之间有一种近乎完美的契合。我们的理论建立了一个能量景观，通过提供序列独立的平台来阐述序列依赖的功能多样性来引导蛋白质进化。我们的工作强调了离散性在生命中的重要作用，并对人工生命的创造和宇宙中其他地方的生命性质产生了影响。
2021-01-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Characterization of graphs for protein structure modeling and recognition of solubility
Ryerson University（瑞尔森大学）；Istituto Superiore di Sanità（意大利国家高等卫生研究院）
本文从蛋白质的溶解性和聚集性出发，探讨了大肠杆菌蛋白质组的结构、拓扑和化学性质之间的关系。每个大肠杆菌蛋白质最初根据其已知的折叠3D形状表示。这一步骤包括用图表表示可用的大肠杆菌蛋白质。我们首先通过考虑纯拓扑特征来分析这些图，即，通过分析最短路径和顶点度的质量分形维数和分布。结果证实了蛋白质的一般结构原理。成功地，我们专注于统计特性的表示，这样的图中的向量组成的几个数值特征，我们从他们的结构表示提取。我们发现蛋白质大小是溶解度的主要因素，然而还有其他因素有助于解释溶解度。最后，我们通过一种新的一类分类器分析这些数据，目的是区分非常难溶的蛋白质。结果是令人鼓舞的，巩固了模式识别技术的潜力时，用来描述复杂的生物系统。
2015-09-23 cs.AI physics.data-an q-bio.BM
