Molecular motors enhance microtubule lattice plasticity
微管是活细胞的关键结构元件，对于细胞分裂、细胞内运输和运动至关重要。最近的实验表明，微管切割蛋白和分子马达刺激游离微管蛋白直接和局部掺入到轴中。然而，微管相关蛋白如何影响晶格的机制图片是完全缺失的。在这里，我们从理论上探讨了一个潜在的机制，晶格周转的过程性分子马达刺激，其中一个弱的瞬态不稳定的晶格马达步进促进移动空位的形成。在没有游离微管蛋白的情况下，缺陷迅速扩展，导致完全断裂。在存在自由微管蛋白的情况下，马达行走诱导在与马达行走相反的方向上的空位漂移。漂移是伴随着直接和本地化的免费的微管蛋白的掺入沿轨迹的空缺。我们的研究结果与实验一致，并强烈表明，一个弱的晶格电机相互作用是负责增强微管轴可塑性。
2022-09-19 cond-mat.soft q-bio.SC
Multiscale Microtubule Dynamics in Active Nematics
在基于微管的主动向列学中，马达驱动的微管束的伸展运动为混沌大尺度动力学提供动力。我们量化的丝间滑动运动在孤立的束和在一个密集的活跃的纤维束。一个孤立的微管对的延伸速度与分子马达的步进速度相当。相比之下，在密集的2D主动向列的净延伸是显着较慢，丝间滑动速度广泛分布的平均值和长丝表现出收缩和伸展相对运动。这些测量结果突出了将孤立束的延伸率与密集的2D主动神经元中存在的多电机和多细丝相互作用连接起来的挑战。它们还提供了构建多尺度模型所必需的定量数据。
2021-09-13 cond-mat.soft
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
Kinetic theory of pattern formation in mixtures of microtubules and molecular motors
在这项研究中，我们制定了一个理论方法，玻尔兹曼动力学方程的基础上，描述斑图形成的二维混合物的微管细丝和分子马达。根据Aranson和Tsimring的先前工作[Phys. Rev. E { \bf 74}，031915（2006）]，我们将微管的电动机诱导的重定向建模为碰撞规则，并设计半解析方法来计算相应的相互作用积分。这个过程产生一个无限层次的动力学方程，我们终止采用一个完善的封闭策略，在模式形成社区和基于功率计数参数。因此，我们到达一个封闭的一组耦合方程缓慢变化的局部密度和方向的微管，并研究其行为进行线性稳定性分析和直接数值模拟。通过将我们的方法与Aranson和Tsimring的工作进行比较，我们评估了推导他们和我们的理论所需的假设的有效性。我们表明，我们的近似免费评估的相互作用积分和我们选择的一个系统的封闭策略的结果在一个相当不同的动力学行为比以前报道的。根据我们的理论，我们讨论了随后的相图和观察到的模式。
2017-11-16 cond-mat.soft
Computer Simulations Reveal Motor Properties generating stable anti-parallel Microtubule interactions
一个星形的微管是一组灵活的极性细丝与动态的正端，从一个共同的位置辐射，在那里发现的负端的细丝。进行可溶性寡聚马达复合物可以同时绑定到两个微管，从而施加力之间的两个星形。利用计算机模拟，我系统地探讨了可能的稳态政权下的各种低聚马达的行动下，两个紫苑达到。正如预期的那样，运动复合体可以诱导星状体融合，例如当复合体仅由负端定向的马达组成时，或者当马达是正端定向时完全分离。更令人惊讶的是，由两个方向相反的马达组成的复合物也可以导致重叠微管之间的反平行相互作用，这种相互作用是稳定和持续的，就像有丝分裂纺锤体结构中看到的那样。这表明，如果它们存在于细胞中，这种杂合物可能具有显著的生物学作用。
2002-09-30 cond-mat.soft q-bio.CB
Asters, Spirals and Vortices in Mixtures of Motors and Microtubules: The Effects of Confining Geometries on Pattern Formation
我们模型的限制上获得的非平衡稳态的混合物的分子马达和微管的稳定的自组织模式的影响。在实验中[Nederland等人，Nature，389，305（1997）; Surrey等人，Science，292，1167（2001）]，微管由马达蛋白的复合物定向。这种相互作用产生了各种各样的图案，包括星群的排列、涡旋和无序的构型。我们通过一个二维矢量场描述的本地粗粒度的微管方向和两个标量密度场相关的分子马达模型。这些标量场描述了附着在微管上并沿着微管移动或在溶剂中自由扩散的马达。单星，螺旋和涡旋状态之间的过渡得到的结果，限制，在我们的模型中的参数是不同的。我们还获得了其他新的状态，包括“外向星”，扭曲的漩涡和晶格上的限制系统的星。我们计算的稳态分布的约束和自由电机在星和涡流配置的微管，并比较这些我们的模拟结果，提供定性参数的稳定性不同的模式，在各种制度的参数空间。我们还研究了拥挤或“饱和”的作用，在紫苑的汽车密度分布的影响，讨论了这种影响的作用，在稳定单一的紫苑。
2003-11-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Theory of self-assembly of microtubules and motors
我们推导出一个模型，通过分子马达相互作用的微管阵列的时空组织。从一个随机模型的非弹性极棒与一般各向异性相互作用内核，我们得到一组方程的局部棒的浓度和取向。在足够大的平均密度的棒和集中的电机，该模型描述了取向不稳定性。我们表明，取向的不稳定性导致形成的漩涡和（大密度和/或内核各向异性）在最近的实验中看到的星。我们推导出的具体形式的相互作用内核的微观相互作用的两个细丝介导的移动分子马达的详细分析，并扩展我们的结果，包括可变的电机密度和电机附件的基板。
2005-12-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Motor protein transport along inhomogeneous microtubules
许多细胞过程依赖于细胞将物质运输到细胞核和从细胞核运输物质的能力。由许多微管和肌动蛋白丝组成的网络是这种运输的关键。最近，细胞内运输的抑制已经涉及神经变性疾病，如阿尔茨海默病和肌萎缩性侧索硬化症（ALS）。此外，微管可能含有所谓的缺陷区域，其中马达蛋白速度由于其他马达和微管相关蛋白的积累而降低。在这项工作中，我们提出了一个新的数学模型描述运动的微管，其中包括一个有缺陷的区域的蛋白质。我们采用平均场方法从第一原理晶格模型来研究马达蛋白动力学和密度分布。特别是，给定一组模型参数，我们得到一个封闭形式的表达沿给定的微管的平衡密度分布。然后，我们使用离散模型的数学分析和Monte Carlo模拟来验证分析结果。这项工作将有助于对不均匀微管的基本理解，从而深入了解可能导致神经退行性疾病发作的微观相互作用。我们的结果为非均匀的微管是一致的，与以前的工作研究均匀的情况。
2020-05-05 cond-mat.soft math.AP q-bio.SC
Light-activated microtubule-based 2D active nematic
我们的特点是二维（2D）微管为基础的主动向列型驱动的光响应驱动蛋白电机集群。我们评估了两种结构的光遗传驱动蛋白：opto-K401，一种进行性运动，和opto-K365，一种非进行性运动。测量结果显示，光电K365电机的最大和最小照明状态之间的对比度的改善的数量级。聚焦于光K365向列相，我们表征了稳态流动和缺陷密度作为应用光的函数，并研究了稳态之间的瞬态行为。通过在厘米大小的样品上施加的光强度来设置稳态的微扰流和缺陷密度，而与初始条件无关。虽然微扰流在几十秒内达到稳态，但缺陷密度表现出4至10分钟的瞬态行为，显示出小规模主动重组和系统规模结构状态之间的分离。这项工作建立了一个实验平台，以测试理论框架，利用时空异构模式的活动，以产生有针对性的动态状态。
2023-03-06 cond-mat.soft
Instrinsic oscillations of treadmilling microtubules in a motor bath
我们分析的动力学重叠的反平行微铣削微管的存在下，交联加工马达蛋白，抵消了外力。我们表明，耦合力依赖的速度的电机和动力学的电机交换与浴中存在的球磨导致一般的振荡行为。此外，我们表明，耦合聚合动力学的外力通过动力学的交联电机可以稳定的振荡不稳定性到有限振幅的非线性振荡，并可能导致其他情况下，包括双稳态。
2011-09-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Dynamic concentration of motors in microtubule arrays
我们目前的实验和理论研究的分子马达的动力学微管阵列和星。通过求解对流-扩散方程，我们发现二维星状空间中马达的密度分布具有连续变化的指数特征。模拟被用来验证连续介质模型的假设。我们用荧光显微镜观察了驱动蛋白在准二维人工星状体中运动的浓度分布，并与我们的理论结果进行了比较。
2001-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
Microtubule-based active fluids with improved lifetime, temporal stability and miscibility with passive soft materials
我们已经开发了几个不同的模型系统的微管为基础的三维主动各向同性流体，并比较了它们的动力学和结构特性。这些流体的非平衡动力学由三种不同类型的驱动蛋白马达提供动力：进行性马达、非进行性马达和永久连接到微管骨架的马达。第四个修改使用特定的微管交联剂，而不是一个非特异性的depletant诱导成束。与以前开发的系统相比，每种新的活性流体配方都具有某些增强的特性。首先，将马达连接到微管骨架将流体的寿命从几小时延长到几天。此外，切换到非进行性马达显著地增加了主动动力学的时间稳定性，而使用特定的交联剂产生了可以结合其他被动软材料（诸如聚合物凝胶或液晶）的系统。这些新开发的模型系统将显着帮助和提高我们的能力，以量化不同的现象，在微管为基础的活性物质。
2018-11-12 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
Self-organized Pattern Formation in Motor-Microtubule Mixtures
提出并研究了分子马达和微管混合物中斑图形成的流体动力学模型。在不同的参数空间中，我们得到的稳态模式包括涡旋和星状体的分别排列，以及星状体涡旋混合物和完全无序状态。在体外实验中观察到这种稳定的稳态。在实验中获得的图案序列可以与我们的模型的非平衡相图中的平滑轨迹相关联。
2003-07-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Motor-driven microtubule diffusion in a photobleached dynamical coordinate system
本研究利用光二聚化驱动蛋白马达控制微管网络收缩，结合光漂白网格坐标系，发现网络收缩伴随类扩散，其扩散常数比自由微管低两个数量级，且扩散与平流时间尺度相近，揭示马达驱动的全局收缩与局部扩散竞争机制。
2024-08-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Novel Catchbond mediated oscillations in motor-microtubule complexes
机械振荡的产生是细胞内各种过程普遍存在的。我们发现，捕捉键合行为的电机蛋白提供了一个通用的机制，产生自发振荡的电机细胞骨架丝复合物。我们获得的相图来表征这种新的捕获键介导的机制如何引起双稳态和持续的极限环振荡，并导致非常独特的稳定行为，包括在生物学相关的机制中，在电机微管复合物中的非线性和非线性稳定。目前，人们认为生物捕捉剂的主要功能作用是当受到外力或流场时改善细菌和细胞的表面粘附。相反，我们的理论研究表明，这种捕获键介导的物理机制的印记将对从有丝分裂纺锤体振荡到肌纤维活动的整个细胞内过程产生影响。
2020-07-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Molecular Mechanisms for Microtubule Length Regulation by Kinesin-8 and XMAP215 Proteins
细胞骨架由大量的酶调节，这些酶影响细胞骨架丝的稳定性和动力学。驱动蛋白-8家族的分子马达以长度依赖的方式解聚微管，实验和理论证据表明驱动蛋白-8在微管的动态调节中起作用。然而，到目前为止，这些分子马达如何与生长的微管尖端相互作用的详细分子机制仍然难以捉摸。在这里，我们调查两个相互作用的场景驱动蛋白-8和微管尖端。我们给出了一个全面的分析制度的长度调节是可能的，以及固定长度如何取决于生化速率和各种蛋白质的体积浓度。对于一个中性的情况下，微管生长，无论微管尖端是否被分子马达占据，长度调节是可能的，只有一个狭窄的范围内的生化速率和限制到小的聚合速率。相比之下，对于抑制情况，其中在微管尖端存在马达抑制微管生长，长度调节的范围非常广泛，包括高生长速率。这些结果也适用于聚合酶，如XMAP 215和驱动蛋白-8相互排斥的微管尖端的情况。我们还研究了这两种情况下的随机动力学。而对于中性的情况下长度是严格控制的，长度动态是间歇性的抑制情况下，并表现出延长期的微管生长和收缩，让人想起微管动态不稳定。从更广泛的角度来看，在这项工作中建立的一组模型相当普遍地表明，在细胞骨架丝末端的分子的相互排斥是丝动力学和调节的一个重要因素。
2014-05-22 cond-mat.soft q-bio.SC
Collective dynamics of microtubule-based 3D active fluids from single microtubules
驱动蛋白驱动的、基于微管的3D活性流体的自组织依赖于单个微管的集体动力学。然而，宏观流体流动和微管的微观运动之间的联系仍然不清楚。在这项工作中，单微管的运动的特点是通过二维滑动分析，并与三维活性流体的流动进行比较。虽然这两个系统的规模相差1,000倍，但两者都是由进行性、非进行性或两种分子马达蛋白的相等混合物驱动的。为了寻找两个系统之间的动态相关性，通过改变温度和ATP浓度来调节运动活动，并比较两个系统的变化。马达的持续合成能力发挥了重要作用，在活跃的流体流动，但只有当流体几乎不动，否则，流量占主导地位的流体动力学阻力控制的样本大小。此外，虽然发动机的热反应导致主动流体随着温度的升高而流动得更快，但这种温度依赖性可以通过引入温度变化的耗尽剂来逆转，强调耗尽剂在设计主动流体的温度响应中的潜在作用。活性流体的温度响应几乎是立即的（<10秒）。这样的特性使得能够用温度开关控制活性流体。总的来说，这项工作不仅澄清了温度在活跃流体活动中的作用，而且揭示了活跃流体的集体动力学与其组成的单个微管的动力学之间关系的基本原理。
2019-04-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Wrinkling instability in 3D active nematics
在自然界中，生物聚合物和马达蛋白之间的相互作用产生了生物学上必不可少的涌现行为。除了细胞骨架力学之外，活性向列体也是由这种相互作用产生的。在这里，我们提出了一个由微管，驱动蛋白马达和消耗剂的三维主动向线的研究。它显示了丰富的行为，从向列有序的空间填充分布的微管束向扁平和收缩的2D带状物，经历了一个旋转不稳定性，随后过渡到一个3D活跃的湍流状态。皱纹波长与ATP浓度无关，我们的理论模型描述了它与出现时间的关系。我们比较实验结果与数值模拟，证实了驱动蛋白马达的交联和滑动的微管的关键作用。我们的研究结果的积极收缩的网络和独立的皱纹波长ATP浓度的理解这些3D系统的重要步骤。
2020-08-04 cond-mat.soft
Non-equilibrium microtubule fluctuations in a model cytoskeleton
生物活性引起细胞质中的非平衡波动;然而，很少有方法直接测量这些波动。使用重构的肌动蛋白细胞骨架，我们表明，嵌入的微管的弯曲动力学可以用来探测局部应力波动。我们加入肌球蛋白马达，驱动网络失去平衡，导致微管弯曲波动的振幅增加和时间依赖性改变。我们表明，这种行为的结果从阶跃状的力量的顺序为10 pN的集体电动机动力学驱动。
2007-09-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Swirling Instability of the Microtubule Cytoskeleton
在细胞质流动的细胞现象中，沿着微管网络携带货物的分子马达夹带周围的液体。由单个马达产生的微微牛顿力足以使长微管变形，就像许多移动马达产生的集体流体流动一样。在果蝇$D.~melanogaster$卵母细胞发育过程中的流动研究表明，从空间无序的细胞骨架，支持流动只有短程的相关性，一个有序的状态与细胞跨越旋涡流的过渡。为了验证这一假设，即这种转变是由流体-结构相互作用驱动的，我们研究了离散细丝模型和粗粒度的连续理论的电机上移动的可变形的细胞骨架，这两者都表现出$swirling~instability$自发大规模的旋转运动，观察到的。
2020-08-27 cond-mat.soft nlin.PS 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
Multi-Motor Cargo Navigation in Complex Cytoskeletal Networks
本文通过体外构建复杂微管网络，研究附着1至10个驱动蛋白马达的量子点货物导航行为，发现马达数量和网络密度共同调控货物的行走距离、运行时间、平均速度与迂曲度。
2024-10-03 cond-mat.soft q-bio.BM
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
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
Spatiotemporal patterning of extensile active stresses in microtubule-based active fluids
主动应力，这是集体产生的运动消耗能量的棒状成分，产生混乱的自主流动。在空间和时间上控制主动应力是控制可伸展的主动流体的内在混沌动力学的必要前提。我们设计的单头驱动蛋白分子马达，表现出光学增强集群，从而使精确和可重复的空间和时间控制的可扩展的主动应力。这种马达能够在流动状态和静止状态之间快速、可逆地切换。反过来，时空图案的主动应力控制无处不在的弯曲不稳定性的可伸展的活性流体的演变，并确定其临界长度的依赖性。将光学控制的簇与传统的驱动蛋白马达相结合，能够一次性地从收缩性主动应力切换到伸展性主动应力。这些结果开辟了一条道路，对主动流体产生的自主流动的实时控制。
2022-09-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Computational modelling of the collective stochastic motion of Kinesin nano motors
我们建立了一个二维随机分子动力学模型，用于描述生物马达，特别是驱动蛋白在微管轨道上的细胞内集体运动。该模型能够或再现沿微管定向运动的手-手机制。该模型给出了驱动蛋白沿微管的平均定向速度和电流。结果表明，当驱动蛋白的密度超过一定值时，系统的平均速度和电流会显著降低，这是由于系统中形成了交通堵塞。
2010-06-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Kinesin-driven de-mixing of cytoskeleton composites drives emergent mechanical properties
本研究结合实验与模拟表征驱动蛋白重构的肌动蛋白-微管复合物力学特性，发现中等马达浓度下的相分离会引发涌现刚度，揭示了结构-力学耦合实现刚度增强的新机制。
2025-01-13 cond-mat.soft
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
Pattern formation in active model C with anchoring: bands, aster networks, and foams
我们研究了由微管和分子马达组成的活性混合物的极小模型中斑图形成的动力学。我们监测的（保守）微管密度和（非保守）的有序序参量的演变，专注于一个“锚定”项，提供了一个直接的耦合之间的首选微管方向和它们的密度梯度的影响。关键控制参数是活性与弹性之比。当弹性占主导地位时，活动和锚定之间的相互作用导致带状结构的形成，这些带状结构可以经历额外的弯曲或旋转不稳定性。当活性占主导地位时，锚定的性质反而会产生一系列活性细胞固体，包括紫菀状网络，无序泡沫和纺锤状图案。我们推测，引入的“活性模型C”锚定是一个极小模型来描述斑图形成的微管细胞骨架的仿生类似物。
2020-05-21 cond-mat.soft
Emergent collective properties of many-motor systems in one dimension
沿着微管，某些主动马达在一个方向上推动自己，而另一些则在相反的方向上推动自己。例如，运输货物的马达蛋白动力蛋白和驱动蛋白分别将它们自身推向微管的所谓正端和负端，并且在这样做时能够彼此通过，但不是没有相互作用。我们讨论了由许多马达组成的系统的涌现集体行为，一些马达向正端推进，另一些马达向负端推进。为了做到这一点，我们在这个强相互作用、远离平衡的经典随机多电机系统和在虚时间中演化的量子力学多体系统之间进行了类比。我们应用量子多体理论，包括自洽的平均场论和玻色化的著名方法，揭示的现象所表现出的多电机系统，如结构的形成和集体模式在低频和长波长的动力学。特别是，通过玻色化的描述，我们发现类似物的手性Luttinger液体，以及一个定性的过渡性质的低频模式-从传播到纯粹的耗散-控制的密度和相互作用强度。
2016-03-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Active restructuring of cytoskeleton composites leads to increased mechanical stiffness, memory, and heterogeneity
复合细胞骨架包括半柔性肌动蛋白和刚性微管的相互作用网络，使用马达蛋白如肌球蛋白主动产生力和重构，以实现关键的机械过程，包括细胞运动和有丝分裂。然而，马达驱动的活动如何改变细胞骨架复合材料的力学仍然是一个开放的挑战。在这里，我们进行光镊微流变学肌动蛋白微管复合材料驱动的肌球蛋白II电机显示，电机活动增加了线性粘弹性和弹性存储的复合材料的主动重组紧密包装的细丝簇和束的网络。我们的非线性微流变学测量停止活动后几个小时进行的显示，电机收缩的结构是稳定的和强大的非线性强迫。非线性响应的独特特征包括增加的机械刚度、记忆和异质性，以及在电机驱动的重组之后抑制的细丝弯曲。我们的研究结果揭示了重要的新的光粘弹性和非平衡动力学之间的相互作用，在活性聚合物复合材料，如细胞骨架。
2022-05-07 cond-mat.soft 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
Nonlinear competition between asters and stripes in filament-motor-systems
研究了极性细丝通过分子马达复合物相互作用的模型，该模型表现出空间模式的分叉。结果表明，均匀分布的细丝，如肌动蛋白或微管，可能会变得不稳定相对于一个有限的波数的取向不稳定性或相对于调制的细丝密度，长波长模式放大以及。阈值以上的非线性相互作用选择条纹图案或周期性星。通过对基本模型方程的数值模拟，证实了弱非线性扰动分析预测了每种模式在阈值附近的存在性和稳定性范围.决定模型分叉情况的两个相关参数可以分别与活性分子马达和细丝的浓度相关，这两者都可以容易地由细胞调节。
2005-02-09 cond-mat.soft
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
Non-Equilibrium Effects of Molecular Motors on Polymers
我们提出了一个通用的粗粒度模型来描述作用于聚合物底物的分子马达，例如，模仿DNA上的RNA聚合酶或微管上的驱动蛋白。聚合物被建模为一个连接的珠链;电机表示为自由扩散的珠，在遇到基板时，通过一个短程吸引力的潜力结合到它。当结合时，马达和聚合物珠粒经历与聚合物相切的相等且相反的主动力;这导致马达沿着聚合物轮廓运动。包括明确的电机区分我们的模型从其他最近的活性聚合物模型。我们研究，通过Langevin动力学模拟，电机活动的影响上的构象和动力学性质的基板。我们发现，活动导致，除了预期的增强聚合物扩散，有效地减少其持久性长度。我们发现，这种有效的“软化”是双折叠分支或发夹出现的结果，并且可以通过改变马达的数量或它们产生的力来调节。最后，我们调查的效果的马达上的结形成的概率。与直觉相反，我们的模拟表明，即使在平衡时，更灵活的基板将显示出增加的打结概率，电机活动导致相对于平衡的打结构象的发生率显着下降。
2020-10-13 cond-mat.soft
Statistical Properties of Autonomous Flows in 2D Active Nematics
我们研究了一个可调的二维有源液晶的动力学微管和驱动蛋白马达组成的限制在油-水界面。驱动蛋白马达通过ATP水解向系统中持续注入机械能，为相邻微管的相对微观滑动提供动力，从而产生宏观尺度的自主流动和混沌动力学。我们使用粒子图像测速技术来量化二维流动的主动向列相，并提取其统计特性。与流体动力学理论一致，我们发现包含混沌流的涡旋区域呈指数分布，这使我们能够提取特征系统长度尺度。我们探测这个长度尺度对ATP浓度的依赖性，ATP浓度是调节主动应力大小的实验旋钮。我们的数据表明，ATP浓度和主动应力之间的映射是基于Michaelis-Menten动力学，管理个别驱动蛋白电机的运动。
2019-09-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
DNA transport is topologically sculpted by active microtubule dynamics
本文利用单分子追踪研究线性与环状DNA在主动微管网络中的运输，发现DNA拓扑结构显著影响非高斯多模态运输行为，环状DNA因微管穿环而表现出增强亚扩散或超扩散，为编程分子运输和设计仿生材料提供新机制。
2024-09-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Modeling density variations in two-dimensional microtubule-based active nematics
University of California, Merced（加州大学默塞德分校）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
针对基于微管的活性向列材料，提出一种显式纳入密度变化的新模型，替代传统Landau-de Gennes理论，能重现实验中的条纹图案及圆形约束下的行为，并提供了拓扑缺陷产生与湮灭的新解释。
2026-10-01 cond-mat.soft
Spindles and active vortices in a model of confined filament-motor mixtures
本文通过数值模拟受限离散细丝-马达蛋白模型，发现了纺锤体、星体和涡旋等结构的自发形成，揭示了压力、马达速度与密度对自组织状态的影响，并强调需进一步理解活性凝胶微观活动与宏观自组织间的联系。
2011-07-22 cond-mat.soft 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
Controlling Organization and Forces in Active Matter Through Optically-Defined Boundaries
生命系统能够运动、重构和复制。为了执行这些任务，细胞在时空上协调产生力的“活性”分子的相互作用，这些分子产生和操纵非平衡结构和跨越毫米长度尺度的力场[1-3]。生物或合成分子的实验性活性物质系统能够自发地组织成结构[4，5]并产生全局流[6-9]。然而，这些实验系统缺乏在细胞中发现的时空控制，限制了它们在研究非平衡现象和生物启发工程中的实用性。在这里，我们通过光学控制活性生物分子工程系统中的结构和流体流动来揭示非平衡现象和原理。我们的工程系统由纯化的微管和光激活的马达蛋白组成，这些马达蛋白在光照下交联并将微管组织成不同的结构。我们开发基本操作，定义为光模式集，以创建，移动和合并微管结构。通过组合这些基本操作，我们能够创建长度跨越数百微米的微管网络，并以比单个马达速度快一个数量级的速度收缩。我们操纵这些可收缩的网络来产生和塑造持续的流体流动。我们发现的边界介导控制的原理可以用来研究涌现的细胞结构和力量，并开发可编程的活性物质设备。
2019-05-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
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
Persistent fluid flows defined by active matter boundaries
生物系统通过活性蛋白质结构（包括鞭毛、纤毛和细胞骨架网络）的自组织来实现对周围流体的精确控制。在活性结构中，单个蛋白质消耗化学能以分子长度尺度产生力和运动。蛋白质组分的自组织使得能够在微米尺度上控制和调节流体流场。组织和控制活性物质驱动的流体流动的物理原理知之甚少。在这里，我们应用一个光学控制的活性物质系统组成的微管细丝和光开关驱动蛋白马达分析持续流场的出现在一个模型活性物质系统。利用光，我们形成不同形状的收缩微管网络。我们分析了由各种微管网络几何形状产生的流体流场，并在统一的理论框架内解释了由此产生的流场。我们具体证明了收缩微管网络边界处的微管通量的几何形状通过有限元模拟预测了多边形网络几何形状的稳态流体流场。我们的工作提供了一个基础编程的微观流体流动与可控的活性物质，并可以使通用和动态的微流体装置的工程。
2020-09-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Motor-driven advection competes with crowding to drive spatiotemporally heterogeneous transport in cytoskeleton composites
细胞骨架--生物聚合物、分子马达和相关结合蛋白的复合网络--是活性物质的典型例子。粒子通过细胞骨架的运输可以从异常和不均匀的亚扩散到超扩散和平流。然而，概括和理解这些特性-普遍存在于细胞骨架和其他失衡的软物质系统-仍然具有挑战性。在这里，我们结合光片显微镜与微分动态显微镜和单粒子跟踪阐明异常和平流运输肌动球蛋白微管复合物。我们发现，粒子表现出多模式的运输，从显着的次扩散过渡到超扩散在可调的交叉时间尺度。令人惊讶的是，虽然较高的肌动球蛋白含量提高超扩散，它也显着增加了在短时间尺度的亚扩散的程度，并普遍减慢运输。相应的位移分布显示出非高斯性、不对称性和非零模式的独特组合，表明定向平流与笼状扩散和跳跃相结合。在更大的时空尺度上，粒子发生超扩散，通常随着肌动球蛋白含量的增加而增加，与正常的相反，但更快，没有肌动球蛋白的扩散。我们的具体结果揭示了重要的新的光之间的相互作用的非平衡过程，拥挤和异质性活跃的细胞骨架系统。更一般地说，我们的方法是广泛适用于活性物质系统，阐明跨尺度的运输和动力学。
2022-05-09 cond-mat.soft
Phenomenological model of motility by spatiotemporal modulation of active interactions
微观尺度的传输在生物系统和各种技术中至关重要，包括微流体。最近的实验实现了自组织运输现象的微管活性物质利用光来调节运动蛋白的活动在时间和空间。在这里，我们引入一个新的现象学模型来解释这样的实验。我们的模型，基于空间调制粒子相互作用，揭示了一个可能的机制，紧急运输现象，在光控活性物质，包括运动和收缩。特别是，该模型的分析处理阐明了作为物质运输的基本机制的活化粒子的质量质心的守恒，并证明了持续运动的记忆的必要性。此外，我们推广的模型来解释其他现象，如更复杂的激活几何形状引起的微管aster-aster相互作用。我们的研究结果表明，该模型提供了一个可能的基础光控活性物质的唯象理解，它将使活性物质设备的传输协议的设计和优化。
2021-06-24 cond-mat.soft
Dynamic Flow Control Through Active Matter Programming Language
本研究开发了一种全光学平台，利用微管和马达蛋白网络编程流场，实现微米级运输、混合和分离，并探测DNA流变学，展示了活性物质系统在微流控技术中的潜力。
2023-10-05 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Supramolecular assemblies in active motor-filament systems: micelles, bilayers, and foams
本文建立马达-丝状体活性物质的微观模型并推导连续介质方程，揭示胶束、双层和泡沫的形成及分支与指状不稳定性机制。
2024-01-10 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
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
The effect of active fluctuations on the dynamics of particles, motors and hairpins
受最近的实验的启发，在人工细胞骨架和细胞中的粒子和聚合物的动力学，我们介绍了一个修改后的Langevin方程的粒子在一个环境中，是一个粘弹性介质，并带来了平衡的积极波动的行动所造成的分子马达。我们表明，在这样一个模型中，一个自由粒子的运动从superdiffusive到subdiffusive的交叉观察示踪粒子在一个{ \it在体外}细胞骨架或在一个细胞。我们调查的动力学的一个简单的模型的拴系头驱动蛋白1的运动的粒子限制的谐波电位。我们发现，头部靠近其结合位点的微管的概率可以提高两个因素，由于积极的力量。最后，我们研究了作为DNA发夹动力学模型的双势阱中粒子的动力学。我们发现，主动力有效地降低了两个极小值之间的势垒，并研究了这种现象对拉链/解拉链速率的影响。
2016-11-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modeling active nematics via the nematic locking principle
本文提出向列锁定原理，指出单个微管旋转须伴随相邻微管同步旋转，据此推导最一般的向列输运方程，并修改 Beris-Edwards 模型以强制执行该原理，模拟结果与实验观察一致。
2025-06-26 cond-mat.soft nlin.CD
Multi-scale statistics of turbulence motorized by active matter
许多微尺度的生物流动具有时空混沌的特征。这些包括游动细菌的稠密悬浮液，由马达蛋白驱动的微管束，以及分裂和迁移的汇合细胞层。所有这些系统的一个共同特征是它们负载有活性物质，该活性物质将流体中的自由能转化为动能。由于集体效应，活性物质引起多尺度流动运动，这些运动在视觉上与湍流非常相似。在这项研究中，多尺度统计工具分析直接数值模拟（DNS）的周期性的两个（2D）和三维（3D）的活动流，并比较它们与经典的湍流。在物理空间和光谱空间中提供了流量及其随活动水平变化的统计描述。使用小波进行尺度相关的不确定性分析。结果表明，主动和高雷诺数湍流之间的根本差异，例如，在主动流的不稳定性较小，能量较低，和工作的主动应力是光谱施加附近的积分尺度和耗散主要是局部的粘度，对流跨尺度的动量输运中起着次要的作用。
2017-05-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
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
