Motor proteins traffic regulation by supply-demand balance of resources
在细胞和体外试验中，参与生物运输过程的马达蛋白的数量远非无限。细胞骨架结合位点与相同的有限马达储存器（细胞溶质或流动室）接触，因此竞争募集可用的马达，潜在地耗尽储存器并影响细胞骨架转运。在这项工作中，我们提供了一个理论框架来研究，分析和数值，如何电机密度分布和拥挤沿细胞骨架丝依赖于他们的结合位点的竞争电机。我们提出了两个模型，其中有限的进行性马达蛋白积极推进沿细胞骨架丝和不断交换的马达池。我们首先看均匀水库，然后检查周围介质中的自由电机扩散的影响。我们认为作为一个参考情况，最近在体外实验设置驱动蛋白-8电机绑定和移动沿微管细丝在流动室。我们研究如何拥挤的线性马达蛋白移动的细丝可以调节供应（马达蛋白在流动室的浓度）和需求（聚合的微管蛋白异二聚体的总数）之间的平衡。我们目前的分析结果的密度分布的绑定电机，水库枯竭，并提出新的相图，提出了形成的堵塞的电机蛋白的长丝作为两个可调的实验参数的函数：电机蛋白浓度和浓度的微管蛋白聚合成细胞骨架丝。大量的数值模拟证实了实验范围内的参数的分析结果，也解决了水库中的马达蛋白扩散的影响。
2014-09-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Cytoskeletal filament length controlled dynamic sequestering of intracellular cargo
运动货物的空间定位或隔离及其在细胞内的分散是许多生理环境中的重要过程。细胞骨架网络的形态，沿着其发生主动的、马达驱动的细胞内运输，在调节这些运输阶段中起着关键作用。在这里，我们使用一个计算模型来解决动态隔离的存在和敏感性，以及它如何依赖于控制细胞骨架网络几何形状的参数，重点是细丝长度和极化远离或朝向周边。我们的细胞内运输模型解决了货物的概率分布的时间演化，该货物通过被动扩散在散装细胞质中运输，并由明确呈现的极性细胞骨架丝随机取向的马达驱动。我们发现，根据网络中细丝的长度和极化，动态隔离区域可以在细胞的不同区域形成。此外，我们发现，对于某些参数，货物的停留时间是非单调的增加细丝长度，表明动态封存的最佳制度，是潜在的可调通过细丝长度。我们的结果与{ \it in vivo}观察结果一致，并表明通过细胞骨架网络调节可调地控制货物螯合的能力可以提供调节细胞内转运阶段的一般机制。
2019-07-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Biased transport of elastic cytoskeletal filaments with alternating polarities by molecular motors
我们提出了一个简单的模型，肌动蛋白束的双向动力学与非进行性肌球蛋白电机的滑动检测交替极性。在该模型中，束被表示为一个弹性链的单体组成的正，负极性。束的运动是由下面的马达的拉力引起的，所述马达随机地附接到单体，并且根据单体的极性，在向右或向左的方向上拉动它们。我们证明了完全a-极性链由相同数量的单体组成的正负极性可以表现出有偏的双向运动与非零漂移。这种效应是由于肌球蛋白马达的作用而在链中产生的弹性张力。我们还表明，由于这种张力，附着的电机的概率大大降低，并成为强烈依赖于链的长度。这些令人惊讶的影响点的必要性，考虑弹性的细胞骨架在理论研究的合作动力学的分子马达。
2010-05-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Hierarchical self-organization of cytoskeletal active networks
肌动蛋白细胞骨架的结构重组是通过马达蛋白的作用来促进的，马达蛋白交联肌动蛋白丝并将它们相对于彼此运输。在这里，我们提出了一个相结合的实验计算研究，探讨肌动蛋白丝和肌球蛋白马达集群的混合物的动态演变。虽然在小的空间和时间尺度上，系统的行为在一个非常嘈杂的方式，在更大的尺度上，它演变成几个不同的模式，如束，星，和网络。这些模式的特点是具有高连通性的路口，其形成是可能的，由于组织的电机在“oligoclusters”（中等大小的聚集体）。模拟结果表明，自组织过程进行了一系列的层次步骤，从局部微观移动和范围到宏观大尺度的稳态结构形成。我们的研究结果揭示了细胞质分裂和细胞收缩等过程中所涉及的机制，其中肌球蛋白马达组织在集群中协同运作，以诱导细胞骨架网络的结构组织。
2012-02-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Learning via mechanosensitivity and activity in cytoskeletal networks
本文提出一种基于肌动球蛋白细胞骨架的机械敏感网络，在对比学习框架下从环境扰动中学习，为生物系统学习提供原理验证，并探讨其对适应与稳态的意义。
2025-04-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Physical Principles of Size and Frequency Scaling of Active Cytoskeletal Spirals
本研究通过重建驱动蛋白驱动的微管螺旋实验，结合理论与模拟，揭示了螺旋半径和频率随力密度及丝长度的标度规律，修正了频率标度指数，并阐明了丝弹性与屈曲在活性丝物理中的关键作用。
2025-08-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Collective dynamics of active cytoskeletal networks
自组织机制对于细胞骨架适应活细胞的要求是必不可少的。它们依赖于细胞骨架丝、交联蛋白和分子马达之间复杂的相互作用。在这里，我们提出了一个体外极小模型系统，由肌动蛋白丝，肌成束蛋白和肌球蛋白-II丝表现出脉动集体长程动力学。在高动态稳定状态的活性凝胶的重组的特征在于交替周期的运行和失速导致网络的成分的超扩散动力学。它们由网络中交联分子和运动丝的复杂竞争主导：只有当肌球蛋白II丝与肌动蛋白网络结合的相对强度允许施加足够高的力来解开肌动蛋白/肌束蛋白交联时，才能观察到集体动力学。结构形成和动力学之间的反馈可以通过将这些实验与基于简单相互作用规则的唯象模拟相结合来解决。
2011-05-23 physics.bio-ph q-bio.SC
Cytoskeletal network morphology regulates intracellular transport dynamics
在大多数真核细胞中，细胞内转运对于维持适当的细胞功能是必不可少的，主动转运的扰动导致几种类型的疾病。通过被动扩散和分子马达的主动运输相结合，将关键货物有效地递送到特定位置，所述分子马达沿着细胞骨架丝的网络弹道式移动。虽然电机为基础的运输是必要的，以克服细胞质拥挤和有限的范围内合理的时间尺度的扩散，拓扑结构的细胞骨架网络，调节运输效率和鲁棒性尚未建立。使用连续扩散模型，我们观察到，细胞运输所需的时间最小化时，网络是本地化的核附近。在明确纳入网络空间架构的模拟中，总细丝质量是网络渡越时间的主要驱动因素。然而，将货物重定向回细胞核的细丝陷阱引起了网络运输的巨大变化。在减少平均渡越时间方面，长丝极性比长丝取向更重要，并且在具有中间马达开和关速率的网络中优化了传输特性。我们的研究结果提供了重要的见解细胞内运输的功能约束下，细胞已经演变的细胞骨架结构，并通过合理的运输网络设计，在仿生系统中增强反应有潜在的应用。
2016-08-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A versatile framework for simulating the dynamic mechanical structure of cytoskeletal networks
计算机模拟可以帮助理解简单成分之间的相互作用如何产生集体材料属性。在这里，我们介绍了一个粗粒度的模型，使模拟网络的肌动蛋白丝，肌球蛋白马达，交联蛋白在生物相关的时间和长度尺度。我们证明，该模型定性和定量地捕捉实验观察到的一套趋势，包括统计的细丝波动，机械响应剪切，电机motilities，和网络重排。我们使用模拟来预测交联肌动蛋白网络的粘弹性标度行为，在肌球蛋白运动分析中表征肌动蛋白的轨迹，并开发序参量来测量模拟肌动蛋白网络的收缩性。因此，该模型可以作为一个平台的解释和设计的细胞骨架材料的实验，以及进一步发展的模拟纳入活性元素。
2017-05-28 physics.bio-ph
Cooperative molecular motors moving back and forth
本文利用两态棘轮模型研究了极性随机交替的细胞骨架轨道上分子马达的双向协同运动。我们的模型基于先前提出的模型[Badoual等人，{ \em Proc. Natl. Acad. Sci. USA} { \bf 99}，6696（2002）]中的方法，并且此外，考虑了由于行走马达的联合作用而在细胞骨架轨道中产生的弹性张力所引起的协同效应。我们表明，无论是计算和分析，这种额外的协同效应导致的双向运动的特征反转时间显着减少，特别是在系统中有大量的电机。我们还发现，双向运动只发生在（几乎）a极轨道上，而即使是轻微的极轨道上的运动是单向的。我们认为，这些意见的起源是敏感的依赖于合作动力学之间的差异，通常工作在和反对瞬时运动方向的电机的数量。
2009-08-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Dual antagonistic role of motor proteins in fluidizing active networks
细胞使用相同的分子构建块完成不同的功能，从建立细胞质流到产生机械力。特别地，这些非平衡态之间的转换是通过调节细胞骨架蛋白的表达和活性来触发的。然而，这些蛋白质如何设置细胞骨架的大尺度力学和驱动这种非平衡相变仍然知之甚少。在这里，我们表明，一个最小的网络的生物聚合物，分子马达，和交联剂表现出两个不同的新兴行为取决于它的组成，自发流动像一个活跃的流体，或屈曲像一个活跃的固体。分子马达发挥双重拮抗作用，根据ATP浓度使网络流化或硬化。通过结合实验、连续介质理论和化学动力学，我们确定了如何通过设定每种组分的浓度来组装具有目标活性和弹性的材料。主动和弹性应力可以通过光诱导的运动活动脉冲进一步原位操纵，控制固体到流体的转变。这些结果突出了细胞骨架应力如何调节生命物质的自组织，并为活性物质的合理设计和控制奠定了基础。
2021-12-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Large-scale chirality in an active layer of microtubules and kinesin motor proteins
在生物体早期发育过程中，左右侧化的形成需要一个微妙的机制，因为它与其他主体轴有关。卵细胞中任何固有的手性特征原则上都能触发这种手征对称性的自发破缺。单个微管，主要的细胞骨架丝，被称为手性对象。然而，到目前为止，还没有令人信服的证据表明微管的分子性质与大尺度手性之间存在层次性联系，特别是在整个细胞的长度尺度上。在这里，我们组装一个体外活性层，由微管和驱动蛋白马达蛋白，在玻璃表面上。在包含甲基纤维素，层状系统表现出一个远程的活动的双相，其特征在于由滑动MT的全球对齐。这一阶跨越整个系统的大小在毫米范围内，值得注意的是，允许隐藏的集体手性出现逆时针全球旋转的积极MT层。我们的理论模型的基础上的分析表明，新兴的全球性的微生物学秩序的结果从本地对齐的MT，稳定的甲基纤维素。这也表明，全球旋转来自于MT的内在曲率，导致优先的手性。鉴于其灵活性，这种分层的体外细胞骨架系统使研究膜蛋白的行为负责重要的细胞发育过程。
2018-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Michaelis-Menten at 100 and allosterism at 50: driving molecular motors in a hailstorm with noisy ATPase engines and allosteric transmission
细胞骨架马达蛋白通过催化ATP水解转化输入的化学能在丝状轨道上移动。ATP酶位点类似于发动机，ATP的水解类似于化学燃料的燃烧。此外，电动机的一部分的功能作用类似于由轴、齿轮、离合器等组成的汽车的传动系统。发动机的操作本质上是“嘈杂的”，电动机在水介质中面临分子“冰雹”。在这篇纪念文章中，我们庆祝Michaelis和Menten 1913年具有里程碑意义的论文发表一百周年以及Monod等人发表五十周年。的经典论文，1963年通过强调其相关性，在解释运作机制的引擎和传输系统，分别细胞骨架马达。
2017-05-30 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.SC
Transport by molecular motors in the presence of static defects
本文从理论上研究了静态缺陷下分子马达沿细胞骨架丝的运输。单电机的运动被描述为沿着灯丝的有偏随机行走以及绑定到灯丝和从灯丝解绑定。三种基本类型的缺陷进行了区分，这不同于正常的灯丝网站，只有在一个电机的过渡概率。步进缺陷与减少的概率向前步骤和未绑定缺陷与增加的概率电机未绑定强烈降低的速度和运行长度的电机与缺陷密度增加。对于通过单个马达的运输，马达结合的概率降低的结合缺陷对运输性质具有相对小的影响。对于由马达队进行的货物运输，结合缺陷也改变了货物颗粒的有效解结合率，并且预计具有更强的影响。
2009-05-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Length Regulation Drives Self-Organization in Filament-Motor Mixtures
细胞骨架网络形成复杂的细胞内结构。在这里，我们研究了一个极小模型，其中电机作为解聚酶，从而调节灯丝长度的混合物。结合基于代理的模拟和流体动力学方程，我们表明，资源有限的长度调节驱动细丝簇的形成，尽管没有机械细丝之间的相互作用。即使个体的取向保持固定，集体的细丝取向出现在簇中，与它们的界面正交对齐。
2021-09-10 cond-mat.soft nlin.AO physics.bio-ph
Walks of molecular motors in two and three dimensions
与细胞骨架丝相互作用的分子马达经历由沿着丝的定向运动和在周围溶液中的扩散运动的交替序列组成的奇特的随机行走。一个合奏的电机进行了研究，与一个单一的灯丝在二维和三维的相互作用。的概率分布的时间演化的绑定和未绑定的电动机确定解析。平行于灯丝，马达的扩散强烈增强。解析表达式与蒙特卡罗模拟的结果吻合得很好。
2002-03-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
A design framework for actively crosslinked filament networks
生命物质移动，变形，并组织自己。在细胞中，这是通过聚合物细丝和交联分子的网络实现的，交联分子将细丝彼此连接，并充当马达在网络上做机械功。对于高度交联的细丝网络的情况下，我们讨论了如何从微观代理施加的力出现的组件的材料特性。首先，我们介绍了一个唯象模型，其特征在于纤维之间施加交联人口的力量。其次，我们推导出一个理论，预测高度交联的细丝网络的材料性能，给出了交联。第三，我们讨论了哪些性质的交联设置的材料特性和行为的高度交联的细胞骨架网络。这里介绍的工作，将使更好地了解细胞骨架力学及其分子基础。这一理论也是迈向分子扰动如何影响细胞骨架组织的理论的第一步，并为在实验室中设计具有理想性质的细胞骨架网络提供了框架。
2020-09-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-organization and shape change by active polarization in nematic droplets
细胞内发生的积极力量可以驱动涉及自发组织和形状变化的关键生物过程，如细胞分裂。最近在体外实验的细胞骨架丝和电机，自组织和分裂的微滴的动机，我们提出了一个最小的流体动力学模型，结合了非平衡动力学的电机丝的相互作用与平衡微相分离。马达在液滴内组织，并将细丝结构化成极化的星状缺陷。在大的运动活动中，它们甚至可以使液滴变形或分裂，或形成多星状液滴链。我们预测的相图概括了这些实验观察到的形状。
2021-02-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Stochastic kinetics of a single headed motor protein: dwell time distribution of KIF1A
KIF 1A是一种进行性的单头驱动蛋白超家族马达，它水解三磷酸腺苷（ATP），使其沿着微管的丝状轨道运动。KIF 1A在轨道上的随机运动的特征在于间歇和移位的交替序列。暂停和随后移位的持续时间的总和定义了停留时间。使用NOSC模型（Nishinari et.等人，PRL，{ \bf 95}，118101（2005）），我们系统地推导出停留时间分布的解析表达式。更详细的信息包含在两个连续步骤之间的“条件停留时间”$τ_{\pm\pm}$的概率密度中，每个步骤可以是前向（+）或后向（-）。我们计算这四个条件停留时间的概率密度$Ξ_{\pm\pm}$。然而，为了便于与实验数据进行比较，我们还提出了两个分布$Ξ_{\pm}^{*}$的时间停留前的一个前进（+）和一个倒退（-）步骤。原则上，我们的理论预测可以通过进行具有足够时空分辨率的单分子实验来测试。
2011-03-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Tailoring collective motion of kinesin-driven microtubules via topographic landscapes
生物分子马达蛋白通过消耗从ATP水解获得的化学能来产生力，是组织活细胞中广泛的细胞骨架结构的关键。这种细胞骨架结构的控制有利于可编程蛋白质图案化;然而，由于用于控制斑图形成的工程方法的不发达，我们目前的知识是有限的。在这里，我们展示了定制的组装模式的驱动蛋白马达驱动的微管（MT）通过设计制造的微孔的边界形状。我们发现沿微孔壁的MT束结构和垂直于壁的桥接结构。通过自推进杆理论的证实，我们进一步表明，由边界形状定义的MT的排列决定了组装图案的过渡，为在微通道中重建桥结构提供了蓝图。我们的研究结果提供了一个几何规则来定制的纳米技术应用的细胞骨架和马达蛋白的自组织。
2021-10-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Coupling of Active Motion and Advection Shapes Intracellular Cargo Transport
细胞内货物运输可以由被动扩散、沿着细胞骨架细丝网络的主动马达驱动的运输以及由这种马达/货物运动夹带的流体流的被动平流引起。因此，主动和平流输送本质上是相关的，但不同的表示相同的底层网络结构耦合。这里使用的反应-对流-扩散系统表明，这种耦合影响的被动示踪剂在一个封闭的几何形状的运输和本地化。对于足够低的扩散，通过低反应动力学和结合和未结合状态的解耦，或通过仅具有弱方向性偏差的大部分无序的细胞骨架网络，来优化货物定位到靶区。这些通用的结果可能有助于合理化的细胞骨架网络的微妙功能，例如在苍蝇卵母细胞中观察到的微管。
2012-06-13 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Active Cytoskeletal Composites Display Emergent Tunable Contractility and Restructuring
细胞骨架是一个典型的活性物质系统，控制着从分裂到运动的各种细胞过程。虽然这两个积极的肌动球蛋白动力学和肌动蛋白微管的相互作用是关键的细胞骨架的多功能性和适应性，了解他们的相互作用是缺乏。在这里，我们夫妇微观实验与机械建模，以阐明如何连接，刚性和力的产生影响新兴的材料特性在体外复合材料的肌动蛋白，微管蛋白和肌球蛋白。我们使用时间分辨微分动态显微镜和空间图像自相关显示，弹道收缩发生在具有足够的灵活性和电机密度的复合材料，但一个关键部分的微管是必要的，以维持受控的动态。我们的主动双网络模型表明，变性肌动球蛋白网络是必不可少的收缩，但具有可比的肌动蛋白和微管密度的网络可以独特地抵抗机械应力，同时支持大量的重组。我们的研究结果为设计受细胞因子启发的材料提供了急需的蓝图，这些材料将可调性与弹性和适应性结合起来。
2021-04-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active microphase separation in mixtures of microtubules and tip-accumulating molecular motors
微管和分子马达的混合物形成具有不同动力学行为的活性材料，这些行为根据其成分的分子性质而变化。我们绘制了微管和尖端累积驱动蛋白-4分子马达的非平衡相图。我们发现，驱动蛋白-4可以驱动全球收缩或顺从性样伸展动力学，这取决于微管和捆绑剂的浓度。我们还观察到一系列的空间异质非平衡相，包括有限大小的径向星，一维蠕虫状链，扩展的二维双层，和系统跨越三维活性泡沫。最后，我们描述了复杂的动力学途径，产生微相分离的结构和产生的内在挫折之间的取向顺序的丝状微管和尖端积累分子马达的位置顺序。我们的工作表明，在细胞骨架网络中的主动应力和阶段的形式不仅取决于单个电机和细丝的属性，但也取决于成分的浓度和空间排列。
2021-08-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Active liquid crystals powered by force-sensing DNA-motor clusters
细胞骨架活性向列体表现出惊人的非平衡动力学，由耗能的分子马达提供动力。为了深入了解这些材料的结构和力学，我们设计了可编程簇，其中驱动蛋白马达通过双链DNA接头连接。基于DNA的簇为活性向列体提供动力的效率取决于驱动蛋白马达的步进动力学和聚合物接头的化学结构。荧光各向异性测量表明，电机集群，像丝状微管，表现出当地的有序。DNA连接子的性质使得能够设计力传感簇。当连接器上的负载超过临界阈值时，集群会崩溃，停止产生主动应力并减缓系统动力学。荧光读数揭示了产生丝间滑动的结合簇的分数。反过来，这产生了驱动蛋白马达沿着微管步进时所经历的平均负载。DNA马达簇为理解纳米级分子马达集体产生介观主动应力的分子机制提供了基础，介观主动应力又为主动向列相的宏观非平衡动力学提供了动力。
2021-06-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-organized lane-formation in bidirectional transport of molecular motors
在细胞内，囊泡和蛋白质沿着细胞骨架丝活跃地运输几微米。沿着微管的运输是由动力蛋白和驱动蛋白马达推动的，它们以相反的方向运送货物。即使在强限制下，例如在轴突中，双向细胞内运输也以很高的效率进行。对于这类输运系统，一般会期望形成团簇形成。在这项工作中，我们讨论了最近观察到的自我增强的结合亲和力沿驱动蛋白的轨迹上的MT的效果。我们引入了一个随机格子气模型，其中增强的结合亲和力是通过地板场实现的。从蒙特卡罗模拟和平均场分析，我们表明，这种机制可以导致自组织的破障和车道的形成，这确实导致有效的双向运输在狭窄的环境。
2020-02-27 physics.bio-ph q-bio.SC
Bidirectional cooperative motion of myosin-II motors on actin tracks with randomly alternating polarities
许多分子马达的协同作用对于细胞运动和有丝分裂等动态过程是必不可少的。这种作用可以通过使用运动性测定来研究，其中跟踪细胞骨架丝在被马达蛋白质包被的表面上的运动。在以前的研究肌动蛋白-肌球蛋白II系统，观察到快速定向运动，反映了肌球蛋白II电机的趋势，单向传播沿肌动蛋白丝。在这里，我们提出了一个运动与肌动蛋白束组成的短丝状段随机交替极性测定。这些肌动蛋白轨迹表现出双向运动，在方向反转之间具有宏观上大的时间间隔（几秒的量级）。对这种双向运动的分析表明，特征反转时间$τ_{rev}$不依赖于运动束的大小或电机的数量$N$。这一观察结果与先前基于双态棘轮模型的理论计算相矛盾[Badoual等人，Proc. Natl. Acad. Sci. USA，vol.99，p.6696（2002）]，预测了$τ_{rev}$与$N$的指数增加。我们提出了一个修改后的版本，该模型考虑到弹性能量由于肌球蛋白II电机的肌动蛋白轨道的拉伸。新的模型产生了一个很好的定量协议与实验结果。
2009-03-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Spontaneous Oscillations of Elastic Filaments Induced by Molecular Motors
从运动性测定中微管的波浪状运动可知，马达产生的皮牛顿力足以使细丝弯曲。在细胞现象中，如细胞飞溅流，分子马达沿着细胞骨架丝移位，携带携带液体的货物。当大量这样的强制细丝通过周围的液体相互作用时，如在$Drosophila~melanogaster$中卵母细胞发育的特定阶段，观察到复杂的动力学，但它们背后的详细机制仍然不清楚。受这些观察的启发，我们在这里研究这些现象的最简单的模型：一端固定的弹性细丝，由一个分子马达作为点力处理。因为力切向作用于细丝，不管它的形状如何，这个“跟随力”问题本质上是非变分的，因此从根本上不同于欧拉屈曲，在欧拉屈曲中，力具有固定的方向，并且在低雷诺数状态下，最终导致静止的能量最小化形状。通过结合线性稳定性理论，分析研究的一个可解的简化的“两个链接”模型，和数值研究的完整的弹性流体动力学运动方程，我们阐明的Hopf分叉，发生与强迫增加的细丝，导致扑动运动类似的高雷诺数振荡的花园软管与自由端。
2017-07-07 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Motor regulation results in distal forces that bend partially disintegrated Chlamydomonas axonemes into circular arcs
纤毛和鞭毛的弯曲由动力蛋白马达蛋白产生的力驱动。这些力使轴丝（能动的细胞骨架结构）内相邻的微管对滑动。为了产生有规律的、自发的搏动模式，轴丝动力蛋白的活动必须在空间和时间上协调。一般认为，协调是由压力或张力介导的，压力或张力在运动的轴丝内积累，并以某种方式调节动力蛋白的活性。在实验轴丝进行温和的蛋白水解，我们观察到对的双峰相互关联，并形成几乎恒定曲率的弯曲。通过模拟一对细丝的静力学，我们发现马达的活动集中在双峰的远端。此外，我们表明，这种分布的电机活动符合模型中的曲率，或曲率引起的法向力，调节电机的活动。这些观察，加上我们的理论分析，提供了证据，动力蛋白的活动可以调节曲率或法向力，这可能，因此，在协调纤毛和鞭毛的跳动中发挥作用。
2014-04-08 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.SC
Motility states of molecular motors engaged in a stochastic tug-of-war
细胞内运输是由分子马达介导的，分子马达沿着细胞骨架丝拉动货物。许多货物是双向移动的，由两组马达沿着灯丝向相反的方向移动来运输。我们最近介绍了一个随机拔河模型，这种情况。该模型将货物的运动描述为二维状态空间上的马尔可夫过程，该二维状态空间由活动正电机和活动负电机的数量定义。尽管它的简单性，这种拔河模型导致一个复杂的依赖的货物运动的电机参数。我们提出了新的数值结果的依赖所涉及的电机的数量。此外，我们推导出一个简单而直观的尖锐最大值近似，从中只需四个简单的不等式即可获得货物运动状态。这种方法提供了一种快速可靠的方法来确定货物运动给定的实验系统。
2008-12-15 physics.bio-ph
Random walks of molecular motors arising from diffusional encounters with immobilized filaments
分子马达在细胞骨架丝上的运动用直线上的定向行走来描述。允许从这条线上分离的概率很小。周围流体的运动可以用对称随机游动来描述。分离和再附着的影响计算的主方程在二维和三维的解析解。结果得到的分数绑定电机，他们的平均速度和位移。平行于细丝的扩散系数变得非常大，因为在束缚马达的定向运动的存在下，分离和随后的再附着导致密度分布的加宽。微管上原丝的出现是由结合位点的内部状态来模拟的。经过一段短暂的时间后，所有的原丝变得同样多。
2003-12-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Active patterning and asymmetric transport in a model actomyosin network
细胞骨架网络，本质上是运动丝组装，在许多发育过程中发挥重要作用，包括结构重塑和形状变化。这些是通过非平衡自组织过程实现的，该过程产生功能模式并驱动细胞内运输。我们构建了一个最小的物理模型，它结合了单个细丝的非线性弹性响应和力依赖的电机动作之间的耦合。通过进行随机模拟，我们表明，电机过程的相互作用，描述为驱动反相关运动的网络顶点，和网络的连通性，这决定了渗透性质的结构，确实可以捕获的动力学和结构的协同性，从而引起不同的模式实验观察。单个细丝的屈曲不稳定性被发现在局部化崩溃事件中起着关键作用，由于局部力的不平衡。电机驱动的屈曲诱导的节点聚集提供了一种动态机制，该机制使二维图案稳定在表观静态渗流极限以下。协调电机动作也被证明可以抑制随机热噪声在大的时间尺度上，二维配置，系统开始，从而保持平面的结构发展过程中。通过对三维锚定网络进行类似的模拟，我们发现肌球蛋白驱动的连接良好的肌动蛋白网络的各向同性收缩，当与机械锚定相结合时，赋予集体运动的方向性，可能代表了一种新的细胞内运输机制，如海星卵母细胞中的染色体易位所揭示的。
2014-12-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
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
Modelling cytoskeletal traffic: an interplay between passive diffusion and active transport
我们介绍了完全不对称的排斥过程与朗缪尔动力学（TASEP-LK）的网络作为一个微观模型的积极电机蛋白运输的细胞骨架，沉浸在扩散的细胞质。我们讨论了如何沿着网络和无限扩散的散装水库的积极运输之间的相互作用导致在各种尺度上的非均匀物质分布。我们发现三个制度的稳态运输，对应的规模的网络，个别路段或当地的网站。在低汇率下，网络中不同部分之间会产生强密度异质性。在这种情况下，必须考虑整个网络的拓扑复杂性来描述传输。相比之下，在中等汇率下，通过网络的传输是双向的，并且物理由单个段和局部拓扑决定。最后，对于很高的交换率，均相朗缪尔过程占主导地位的定态。我们引入网络的有效速率图来识别这些不同的制度。基于这种方法，我们开发了一个直观的，但一般的图片如何排除体积过程的复杂网络的定态可以理解的单段相图。
2012-12-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech nlin.CG
Crowding and pausing strongly affect dynamics of kinesin-1 motors along microtubules
驱动蛋白1家族的分子马达以定向和进行的方式沿着微管（MT）运动。人们普遍认为，空间位阻的电机导致拥挤效应，然而，很少有人知道有关的具体相互作用。我们采用了基于代理的格子气模型来研究相互作用的影响，增强分离的电机从拥挤的细丝对他们的集体动力学。我们的模型的预测定量同意实验观察到的浓度依赖性的关键电机特性，包括他们的运行长度，停留时间，速度和着陆率。从个别电机表现出相对较长的停顿异常步进统计，我们推断驱动蛋白-1电机有时陷入非活动状态。因此，交通堵塞的形成放大了单个非活动马达的影响，并导致对所产生的无运动或慢运动的周期的频率和持续时间的拥挤依赖。我们解释了这些发现，并得出结论，驱动蛋白-1花费了显着的一部分，其步进周期中的弱结合状态，其中只有一个头部是绑定到MT。
2018-05-09 physics.bio-ph
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
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
A Python based automated tracking routine for myosin II filaments
研究细胞骨架网络中的运动蛋白动力学对物理学家和生物学家非常感兴趣，以了解单个运动的动力学和特性如何导致整体网络行为的协同效应和控制。在这里，我们报告了一种方法来检测和跟踪肌肉肌球蛋白II丝内的肌动蛋白网络拴支持脂质双层。基于肌球蛋白II细丝的特征形状，这种自动跟踪程序使我们能够随着时间的推移跟踪肌球蛋白II细丝的位置和方向，并根据对时间步长之间的位移和角度变化的分析，将其动态可靠地分类为扩散和进行性运动的片段。这种自动化的高通量方法将使科学家能够有效地分析不同条件下的电机动力学，并将获得比普通跟踪方法更详细的信息，而无需耗时的手动跟踪或生成记波图。
2020-01-27 physics.bio-ph q-bio.QM q-bio.SC
DNA nanotechnology for building artificial dynamic systems
自然界为生物机器开发的一个基本设计规则是运动和功能之间的密切相关性。其中一类生物机器是活细胞中的分子马达，它直接将化学能转化为机械功。它们共存于每一个真核细胞中，但在运动类型、它们所结合的细丝、它们所携带的货物以及它们所执行的工作方面有所不同。这种天然结构为构建DNA组装的人工系统提供了灵感和蓝图，这些系统可以模仿它们的功能。在这篇文章中，我们描述了两组细胞骨架马达，直线和旋转马达。我们将讨论如何使用DNA纳米技术构建它们的人工类似物。最后，我们总结了正在进行的研究方向，并得出结论，DNA折纸有一个光明的未来。
2021-05-03 physics.bio-ph physics.optics
Information-driven stepping in dimeric transport motors
Simon Fraser University（西蒙菲莎大学）
本研究提出二聚体转运马达的信息驱动步进理论模型，揭示其作为纯信息引擎的运行机制，重现实验行为并计算驻留时间分布，为分子马达性能提供新解释。
2026-08-04 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Stabilization of overlapping biofilaments by passive crosslinkers
细胞骨架丝网络的形成、维持和重组对于许多细胞过程是必不可少的。虽然由马达蛋白产生的主动力所起的关键作用已被广泛研究，但直到最近才意识到由非酶交联剂施加的被动力的重要性。主动蛋白和被动蛋白之间的相互作用表现为自身，例如，在细胞分裂期间，由重叠微管形成的纺锤体结构受到由交联马达蛋白产生的主动滑动力和由被动交联剂（如Ase1和PRC1）施加的被动力。我们提出了一个极小模型来描述一对反平行的重叠微管的稳定性行为，导致主动马达和被动交联剂之间的竞争。我们得到的稳定图，其特征在于形成稳定的重叠的MT对，确定控制生物参数，确定其稳定性，并研究电机和被动交联剂之间的相互作用对这些重叠丝的稳定性的影响。
2018-08-28 physics.bio-ph
Broken Detailed Balance of Filament Dynamics in Active Networks
肌球蛋白马达蛋白驱动细胞肌动蛋白细胞骨架的剧烈稳态波动。内源性嵌入的半柔性细丝，如微管，或添加的细丝，如单壁碳纳米管被用作新的工具，以非侵入性地跟踪在这样的生物聚合物网络的平衡和非平衡波动。在这里，我们分析计算形状波动的半柔性探针细丝在粘弹性环境中，驱动电机活动的平衡。探针丝的横向弯曲起伏可以分解为动态简正模。我们发现，这些模式不再独立发展下的非平衡驱动。这种有效模式耦合导致构象相空间中的非零循环电流，反映了对细致平衡的破坏。我们提出的预测与这些电流相关的特征频率，并调查如何确定模式的相关性，我们发现嵌入在细胞骨架网络中的微管最近的实验是一致的运动活动的时间签名。
2016-06-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A cycling state that can lead to glassy dynamics in intracellular transport
在活细胞中观察到分子马达的幂律停留时间，但这些捕获状态的起源尚不清楚。我们介绍了一个极小模型的电机移动的二维网络的细丝，其动态模拟显示统计数据与实验观察到的。模型轨迹的分析，以及实验粒子跟踪数据，揭示了一种状态，其中电机周期在三个或更多个灯丝的交界处无效。我们制定了一个主方程，这些交界处的动态，并表明，逃离这种旋涡状状态所需的时间可以占幂律的停留时间。我们确定的动态趋势与电机价进一步的实验验证。我们证明，这些趋势存在于肌动蛋白网络上的肌球蛋白II的个人轨迹。我们讨论了细胞如何通过局部控制细胞骨架网络结构来调节细胞内运输，进而调节生物学功能。
2016-02-13 physics.bio-ph
Geometry-Dependent Defect Merging Induces Bifurcated Dynamics in Active Networks
本研究通过实验与理论结合，发现活性微管-马达网络中缺陷合并取决于裂纹初始角度，存在临界角导致合并或张开的分叉动力学，并构建弹性杆模型预测该临界角。
2025-09-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Motor antagonism dictates emergent dynamics in active double networks tuned by crosslinkers
本研究构建了由 kinesin 和 myosin 驱动并受交联剂调节的 actin-microtubule 双网络，揭示了马达拮抗与交联对非平衡动力学和结构演化的相反调控作用，并将多尺度动力学归纳为三大普适类别。
2023-05-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
From spirals to flagellar beating: How pivot-like defects control semiflexible filament dynamics in motility assays
本研究通过模拟揭示rigor突变马达蛋白形成的内部枢轴缺陷作为边界条件，控制半柔性细丝在螺旋与鞭毛摆动间的转变，为细胞骨架调控提供新机制。
2025-09-26 physics.bio-ph
Evaporation-Induced Pattern Formation and Wetting in Active Microtubule-Kinesin Droplets
Harvard University（哈佛大学）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；University of Surrey（萨里大学）；Universität Konstanz（康斯坦茨大学）
本研究通过实验和理论结合的方法，揭示了蒸发过程中微管-肌动蛋白滴状体的自组织行为及湿性特征，揭示了交叉链接与主动应力在调控系统动态中的关键作用。
2026-02-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Spatial Organization of the Cytoskeleton enhances Cargo Delivery to Specific Target Areas on the Plasma Membrane of Spherical Cells
细胞内转运对于细胞的正常功能和存活至关重要。货物（蛋白质、囊泡、细胞器等）通过分子马达辅助的沿细胞骨架丝的运输从其产生位置转移到其靶位置。运输效率受到细胞骨架的空间组织的强烈影响，细胞骨架构成了一个不均匀的复杂网络。在具有中心体的细胞中，微管从中心微管组织中心向细胞周边呈放射状生长，而肌动蛋白丝在细胞膜下形成密集的网状结构，即肌动蛋白皮质，具有广泛的取向范围。由于拥挤的细胞质中的分离和再附着过程的收缩交叉节点或周期，沿着细丝的新兴弹道运动经常被中断。为了研究由细胞骨架的特定空间组织建立的搜索策略的效率，我们制定了一个具有间歇性逮捕状态的随机速度模型。通过大量的计算机模拟，我们分析了窄逃逸问题的平均首次通过时间对细胞骨架的结构特征，运动特性和在每个状态下花费的时间分数的依赖性。我们发现，一个不均匀的架构与一个小宽度的肌动蛋白皮层构成了一个有效的细胞内搜索策略。
2016-11-16 physics.bio-ph q-bio.SC
Confinement and Activity-Driven Dynamics of Semiflexible Polymers in Motility Assays
本研究通过粗粒化模型模拟，揭示了半柔性聚合物在运动蛋白驱动及简谐限制下的非平衡动力学，发现了被困-自由两态转变及螺旋构象，为理解活性丝状体在限制下的组织提供了物理框架。
2025-09-07 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Effectiveness of a dynein team in tug-of-war helped by reduced load-sensitivity of detachment: evidence from study of bidirectional endosome transport in Dictyostelium discoideum
细胞中分子马达的双向货物运输是一种复杂的现象，其中货物（通常是囊泡）交替地在逆行和顺行方向上移动。在这种情况下，相对拉动的马达组（例如，驱动蛋白和动力蛋白）同时与货物结合，并“协调”它们的活动，使运动由正向和负向片段组成，并由不同持续时间的停顿隔开。最近的一组实验分析了阿米巴D中内体的双向运动。discoideum详细介绍结果发现，在方向开关之间，一组5-6个动力蛋白在拔河中与更强的驱动蛋白对抗，持续近一秒。由于驱动蛋白在失速载荷下的平均分离时间也被观察到为~ 1 s，我们推断动力蛋白组装体的集体分离时间也必须是相似的。在这里，我们从建模的角度来分析这种推断，使用实验测量的单分子参数作为输入。我们发现，通常假设的指数负载依赖的脱离率是不一致的观察，因为它预测，5-动力蛋白组件将脱离其组合失速负载在不到百分之一秒。一个修正的模型，其中的负载依赖的松解率被假定为饱和在失速力水平的超失速负载给出的结果是与实验数据一致。我们的分析表明，在一个团队中的动力蛋白的负载依赖的分离是定性不同的亚失速和超级失速负载，这是可能有影响的结论，在其他情况下，涉及许多电机的集体效应。
2012-05-26 physics.bio-ph q-bio.SC
Dynamic curvature regulation accounts for the symmetric and asymmetric beats of Chlamydomonas flagella
轴丝动力蛋白是负责纤毛和鞭毛跳动的分子马达。这些马达在轴丝内相邻的微管对之间产生滑动力，轴丝是鞭毛内的运动细胞骨架结构。为了产生有规律的、振荡的搏动模式，轴丝动力蛋白的活动必须在空间和时间上协调。人们认为协调是由运动轴丝内积累的应力或应变介导的，但不知道应力或应变的哪些成分参与其中，也不知道它们如何反馈动力蛋白。为了回答这个问题，我们使用了孤立的，重新激活轴丝的单细胞衣原体作为模型系统。我们推导出一个理论的轴丝的二维模型中的节拍调节。然后，我们测试的理论，通过测量的野生型轴丝，其中有不对称的节拍，和突变体轴丝，其中的节拍几乎是对称的，使用高精度的空间和时间成像的节拍波形。我们发现，由于衣原体纤毛的长度较短，滑动力的调节不能解释测量的节拍。我们发现，法向力（它倾向于分离相邻的双峰）的调节不能令人满意地解释mbo 2突变体的对称波形。这是由于该模型的失败，产生相互抑制轴对称跳动轴丝。最后，我们表明，曲率调节符合测量。出乎意料的是，我们发现，相位的曲率反馈表明，动力蛋白的轴丝曲率的动态（即随时间变化）的组成部分，而不是由静态的。我们的结论是，高通滤波的曲率信号是一个很好的候选人的信号，反馈到协调运动活动的轴丝。
2015-11-13 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.SC
Gliding microtubules exhibit tunable collective rotation driven by chiral active forces
本研究通过实验和模拟揭示，马达施加的主动力中的手性可在无形状手性时驱动微管滑行中集体旋转，且可通过调节丝刚度调控旋转速度与方向。
2025-07-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Continuous-time random walk model for the diffusive motion of helicases
本研究针对DNA解旋酶的扩散运动，利用磁镊和光镊测量三种解旋酶在不同条件下的速率与扩散系数，通过连续时间随机游走模型解析其力化学循环，发现需引入偏离主路径的暂停态拟合数据，且RecG复旋时效率接近100%，为分子机器活性表征提供了新方法。
2025-03-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
