Adsorption at Liquid Interfaces Induces Amyloid Fibril Bending and Ring Formation
蛋白质纤维在界面处的积累是许多生理过程和神经退行性疾病以及材料设计中的重要步骤。在这里，我们表明，使用$β$ -乳球蛋白原纤维作为模型，暴露于表面的半柔性原纤维不具有蠕虫状链的曲率特征的高斯分布，而是表现出自发的曲率，这甚至可以导致环状构象。这种环的长期存在被原子力显微镜、低温扫描电子显微镜和在空气和油-水界面的被动探针粒子跟踪所证实。我们的理由是，这种自发的曲率是由分子水平上的结构特征，是预期当一个手性和极性原纤维被放置在一个不均匀的环境，如界面。通过测试具有不同平均厚度的$β$ -乳球蛋白原纤维，我们得出结论，原纤维厚度在形成环的倾向中起决定性作用。
2014-10-29 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Crucial role of non-specific interactions in amyloid nucleation
蛋白质寡聚体在广泛的淀粉样蛋白相关疾病中被认为是毒性因子。然而，低聚物是否是淀粉样纤维形成的必要步骤，或者只是一种危险的副产品，仍然没有解决。类似地，尚未解决淀粉样蛋白成核过程是经典的一步成核过程，还是涉及预成核簇的两步过程。我们使用粗粒度的计算机模拟来研究肽之间的非特异性吸引力对淀粉样蛋白纤维化的初级成核过程的影响。我们发现，对于不吸引的肽，经典的一步成核机制是可能的，但仅在非生理高肽浓度。在低肽浓度下，其模拟生理学相关的制度，有吸引力的肽间相互作用是纤维形成所必需的。成核然后不可避免地通过涉及预原纤低聚物的两步机制发生。我们发现，低聚物不仅有助于肽满足对方，但创造一个环境，有利于单体转化为$β$ -片丰富的形式特征的原纤维。成核通常不通过最普遍的低聚物进行，而是通过仅在罕见的波动中观察到的低聚物大小进行，这就是为什么这种聚集体可能难以在实验上捕获。最后，我们发现，淀粉样蛋白纤维的成核不能用经典成核理论来描述：在两步机制中，临界核尺寸随着浓度的增加和肽间相互作用的增加而增加，与经典成核理论的预测直接相反。
2014-12-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Thermodynamics of amyloid formation and the role of intersheet interactions
已观察到蛋白质自组装成富含$β$片的淀粉样原纤维以S形动力学发生，表明该系统最初被困在亚稳态。在这里，我们使用基于最小晶格的模型来探索有限正则（$NVT$）系统中驱动淀粉样蛋白形成的热力学力。通过广义系综Monte Carlo技术和半解析方法，该模型的热力学性质进行了研究，为不同的层间相互作用参数。当相互作用支持横向生长成多层纤维状结构时，观察到在过饱和溶液状态和其中小的和大的纤维状物质平衡存在的结晶不同状态之间的蒸发/冷凝转变。中等大小的聚集体在统计学上受到抑制。如果聚集增长是一维的，这些性质就不成立。
2016-01-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
What drives amyloid molecules to assemble into oligomers and fibrils?
我们发展了淀粉样肽的三种平衡状态的一般理论：单体，寡聚体和原纤维。我们假设，寡聚状态是一个无序的胶束样集合的几个肽链保持在一起松散的疏水相互作用成一个球形的疏水核心。我们假设，纤维状淀粉样蛋白链对齐，并进一步稳定的“空间拉链”的相互作用-氢键和空间包装，除了特定的疏水侧链接触。该模型作出了广泛的预测，与实验一致：（i）类似于表面活性剂胶束化，淀粉样蛋白寡聚化应随着本体肽浓度增加。(ii)絮凝作用的开始限制了溶液中低聚物的浓度。(iii)平均原纤维长度\emph{vs.}单体浓度与$α$ -突触核蛋白的数据一致，（iv）完整原纤维长度分布遵循$α$ -突触核蛋白的分布，（v）变性剂应“熔化”原纤维，和（vi）添加的盐应通过减少淀粉样蛋白肽链之间的排斥来稳定原纤维。有趣的是，溶剂条件的微小变化可以：（a）改变低聚物和原纤维之间的平衡，以及（b）通过对过渡态势垒的影响引起速率的大幅变化。这个模型可能提供有用的洞察淀粉样蛋白疾病的物理过程。
2010-07-29 cond-mat.soft
Mechanical stretching of amyloid Abeta11-42 fibrils using steered molecular dynamics
已知淀粉样蛋白β原纤维的机械强度与神经元细胞死亡相关。在这里，我们采取转向分子动力学（SMD）模拟机械拉伸一个单一的S形淀粉样蛋白β 11 -42十二聚体纤维在真空中。有人发现，最弱的网站，在那里的原纤维被破坏，由于机械拉伸是专门在整个原纤维分布的丙氨酸和谷氨酸的接口。还揭示了展开原纤维以形成长的线性构象所需的自由能相当于约210 eV，比室温下的热电压大几千倍。因此，在溶液内，基于淀粉样蛋白β原纤维在溶液中由于其疏水核心与溶液熵之间的相互作用而在结构上更稳定的事实，这种最大拉伸需要更大的自由能。
2021-08-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Mechanical properties of the two-filament insulin amyloid fibril: a theoretical study
结合最近的模拟结果和力学测量，我们研究了双丝胰岛素原纤维的结构。我们的调查表明，持久性长度测量相关性以及与先前提出的结构模型，而弹性测量表明，拉伸原纤维可能涉及氢键断裂。我们的工作说明了试图将纳米级测量与蛋白质四级结构的微观信息相关联。
2008-08-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Tannin-controlled micelles and fibrils of $κ$-casein
采用动态光散射（DLS）和小角X射线散射（SAXS）研究了绿茶单宁表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）对热应激诱导还原羧甲基牛乳蛋白$κ$ -酪蛋白（RCMK）淀粉样纤维形成的影响。两个群体的聚集体，胶束和原纤维，占主导地位的光散射强度和有效流体动力学直径的时间演变。SAXS实验允许解决胶束和原纤维，使散射曲线的时间依赖性揭示了两个人口的结构演变。由于原纤维生长，低Q散射强度在预期随时间增加之前显示出有趣的快速下降，这被解释为单体从胶束中释放。在不存在和存在EGCG的情况下观察到的这种现象表明，在热应力下，游离天然单体转化为不形成胶束的淀粉样蛋白倾向单体。游离天然单体的消耗导致天然单体从胶束中释放，因为只有天然蛋白质参与胶束-单体（准）平衡。这种释放是可逆的，也表明天然的淀粉样蛋白倾向单体转化也是可逆的。我们表明，表没食子儿茶素没食子酸酯不结合蛋白质的原纤维，也不影响/阻止单体的前淀粉样蛋白转化。表没食子儿茶素没食子酸酯阻碍单体加入到生长的纤维中。这些事实使我们能够提出EGCG控制的淀粉样蛋白胶束聚集的动力学模型。其中，我们引入了生长速率抑制函数，该函数定量地解释了在任何程度的热应力下EGCG对纤维生长的影响。
2019-09-18 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Flow-induced order-order transitions in amyloid fibril liquid crystalline tactoids
理解和控制液晶和胆甾相液晶中的指向矢场的结构、形状和取向在许多科学分支中具有根本的重要性。液晶液滴，也被称为类晶，其通过在相图的两相区域内成核和生长而自发形成，其中各向同性相和非晶相共存，由于在极小的界面张力下各向异性表面边界的影响，挑战了我们目前对受限下的液晶的理解，并且主要在静态准平衡条件下进行研究。在这里，我们表明，不同类别的淀粉样蛋白原纤维和类淀粉样蛋白经历了平衡秩序秩序的转变，其形状的流动引起的变形。在拉伸流动下，类晶排列，并经历极端变形，成为高度细长的扁圆形，允许螺旋桨间距以类晶纵横比的逆幂律减小。能量泛函理论和实验测量相结合，合理化的临界伸长率比以上的董事场配置的tactoids从双极和单轴的双极性转换到均匀和辩论的热力学性质，这些转变。我们的研究结果表明，在设计自组装液晶材料的结构和动力学性能可以通过非平衡相变调整的新机会。
2020-02-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Propensity to form amyloid fibrils is encoded as excitations in the free energy landscape of monomeric proteins
蛋白质聚集与许多疾病有关，当单体进入准备形成淀粉样纤维的流氓构象时，蛋白质聚集就开始了。我们表明，使用模拟的src SH 3域，机械力增强人口的聚集倾向（$N^*$）状态，这是很少填充的力自由原生条件下，但编码的频谱原生波动。SH 3作为变性剂浓度（$[C]$），机械力（$f$）和温度的函数的折叠相图表现出明显的两态行为，而没有揭示难以捉摸的$N^*$状态的存在。有趣的是，在所有[C]和$f$处分离折叠态和未折叠态的相边界落在主曲线上，这可以使用磁场中的超导体的类比来定量描述。作为分子延伸（$R$）的函数的自由能分布（$R$），其在牵拉实验（$R$）中可获得，揭示了具有无序溶剂暴露的氨基末端$β$ -链的天然样$N^*$的存在。$N^*$状态的结构与通过NMR分散实验在Fyn SH 3中发现的结构相同。我们发现，原纤维形成的时间尺度可以估计从人口的$N^*$状态，由分离的天然结构和$N^*$状态的自由能隙，发现可用于评估原纤维形成的蛋白质的倾向。$N^*$状态的结构用于显示低聚物形成和可能的原纤维路线通过SH 3结构域中的结构域交换机制发生。
2014-07-07 cond-mat.soft q-bio.BM
Interaction between U-shaped amyloid beta fibril and semiconducting silicon nitride monolayer
本研究通过经典与量子分子动力学模拟，发现半导体Si$_3$N$_4$单层能通过强相互作用解构U型淀粉样β纤维，使其β-折叠含量降低并转变为其他二级结构，证实了其破坏纤维稳定性的潜力。
2024-07-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Role of water in Protein Aggregation and Amyloid Polymorphism
多种神经退行性疾病与淀粉样斑块的形成有关。我们对这一过程的不完全理解强调了破译蛋白质聚集原理的必要性。大多数实验和模拟研究主要从蛋白质的角度进行解释：溶剂的作用相对被忽视。在这个帐户中，我们提供了一个视角如何与水的相互作用影响折叠景观的$β$单体，一个$β_{16-22}$寡聚体的形成，并在Sup35肽原丝的形成。模拟结果表明，形成类似于原纤维中结构的易聚集结构（N $^*$）需要克服高的去溶剂化障碍。在极性Sup35肽片段中的原丝形成的机制说明水显著地减慢自组装。释放被困在孔隙中的水作为水线，产生具有干燥界面的原丝。类似地，将溶剂化单体添加到预形成的原纤维的主要驱动力之一是释放的水的熵增益。我们的结论是，假设蛋白质结晶的两步模型也必须保持从N $^*$开始的高级淀粉样结构的形成。具有不同水含量的多个N $^*$结构导致许多不同的载水多晶型结构。在主要疏水序列中，水加速原纤维形成。相比之下，水稳定的亚稳中间体显着减缓原纤维的生长速率在亲水序列。
2011-07-25 cond-mat.soft q-bio.BM
Electrostatic and hydrophobic patches on Amyloid-\b{eta} oligomers govern their fractal self-assembly: Implication to proteins
我们提出了一个通用的模型来描述蛋白质的分形自组装的静电和疏水相互作用。模型的预测与使用斑片状扩散限制聚集获得的模拟分形以及使用共聚焦显微镜实验观察到的淀粉样蛋白- \b{eta}（A \b{eta}）分形自组装相关。分子对接用于确定A \b{eta}寡聚体上的贴片的性质。类似的补丁属性被用来设计用于模拟的粒子。与模型预测一致，模拟的分形自组装的形成自由能与其分形维数成正比，而且它们的形貌与实验观察到的A \b{eta}在不同pH下的分形形貌相似.
2020-10-03 cond-mat.soft
Inhibiting amyloid-like aggregation through bio-conjugation of proteins with polymer surfactant
防止蛋白质聚集并因此稳定蛋白质具有很大的生物学和生物技术意义。在这里，我们表明，抑制淀粉样聚集体是可能的化学计量共轭聚合物表面活性剂和牛血清白蛋白（BSA）选择作为模型蛋白。我们使用硫磺素-T的荧光光谱，动态光散射和FTIR光谱的聚合物表面活性剂改性和未改性（本地）BSA溶液中的聚集行为相结合的调查。BSA-聚合物表面活性剂缀合物在聚集条件下稳定长达5天，而天然BSA形成淀粉样蛋白纤维状结构。此外，使用热处理的100至200 μM天然BSA聚集体进行的基于DLS的微观流变学研究提供了在非常大的频率范围内（达到MHz）的平衡弹性和粘性模量的理解，这是使用本体流变学无法达到的。我们的研究结果表明，经过6天的聚集条件，弹性模量显示值在1.2至3.6帕之间，对应于105纳米的缠结长度（λ）。有趣的是，在塑料Eppendorf中将200 μM天然BSA溶液在65 ℃下加热2天，得到自立膜。这些薄膜表现出强ThT-荧光强度和一个主要的\b{eta} -片层二级结构的FTIR研究，这表明，自立的微观结构导致分级自组装的淀粉样蛋白原纤维。
2020-05-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Entropy of water and the temperature-induced stiffening of amyloid networks
在水中，蛋白质$α$ -突触核蛋白的半柔性原纤维网络随着温度的升高而显著增加。我们认为，这种可逆的硬化是由于原纤维之间的疏水接触，随着温度的升高变得更加突出。我们的实验观察到的网络的储能模量的温度依赖性与可逆交联网络弹性连接的缩放理论的良好协议，使我们能够量化的吸热结合焓和估计的有效尺寸的疏水补丁的原纤维表面上。
2017-12-20 cond-mat.soft
Mechanisms and Rates of Nucleation of Amyloid Fibrils
经典成核理论发现成核速率与单体浓度的幂成正比，即"临界核尺寸" ${n_c}$。淀粉样蛋白以相同方式成核的隐含假设最近受到另一种两步机制的挑战，即可溶性单体首先形成亚稳聚集体（胶束），然后转化为富含$β$链的构象，这些链能够形成稳定的原丝生长核。在这里，我们把聚集和成核动力学的广泛知识的元素，使用一个具体的情况下，A ${β_{1\mathrm{-}42}}$淀粉样蛋白生成肽的说明，找到理论表达式的淀粉样蛋白成核的有效速率。我们发现，在溶液中的低单体浓度，并在胶束中的两个肽构象之间的相互作用能低，通过经典的路线发生成核。在较高的单体浓度，和一系列的肽之间的其他相互作用参数，两步'聚集转化'成核机制接管。在这种情况下，该过程的有效速率可以被解释为在一定范围内的参数的单体浓度的幂，然而，指数是由相互作用参数的复杂的相互作用决定的，并且与生长核的最小尺寸无关（我们发现对于A ${β_{1-42}}$，其为${\sim}$ 7 - 8）。
2017-07-08 cond-mat.soft
Statistical Mechanical Treatments of Protein Amyloid Formation
蛋白质聚集是一个重要的研究领域，因为它与神经退行性疾病的问题，生物材料的发展，以及细胞结构如细胞骨架的生长密切相关。例如，淀粉样蛋白的自聚集是一个复杂的过程，涉及许多种类和结构水平。然而，这种复杂性可以使用统计机械工具来处理，例如自由能，配分函数和传递矩阵。在这篇文章中，我们回顾了一般的策略，研究蛋白质聚集使用统计力学方法，并表明，典型和巨正则系综可以用于这种方法。巨正则方法特别方便，因为可以同时考虑组装和分解的竞争途径。使用统计力学的另一个优点是，可以获得原纤维的所有热力学性质的数值精确解，例如形成的原纤维的量，作为初始蛋白质浓度的函数。此外，统计力学模型可用于拟合实验数据时，他们可用于比较。
2013-08-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Influence of Nanoparticle Size and Shape on Oligomer Formation of an Amyloidogenic Peptide
理解大分子拥挤和纳米颗粒对对齐的$β$ -片层（淀粉样蛋白原纤维的主要结构组分）形成的影响是描述\emph{in vivo}蛋白聚集和合成材料与蛋白质之间相互作用的第一步。使用全原子分子模拟在隐式溶剂中，我们说明了纳米颗粒的大小，形状和体积分数的影响，从甲状腺素运载蛋白的淀粉样蛋白生成肽的低聚物形成。令人惊讶的是，我们发现惰性球形拥挤颗粒使由二聚体形成的对齐$β$ -片层不稳定，同时使由三聚体和四聚体组成的$β$ -片层稳定。随着纳米颗粒半径的增加，拥挤效应降低，这意味着较小的拥挤颗粒对最早的淀粉样蛋白种类具有最大的影响。我们解释这些结果使用的理论基础上的耗尽效应。最后，我们发现，球形crowders不稳定有序的$β$ -片二聚体在更大程度上比球形crowders，这强调了纳米颗粒形状对蛋白质聚集的影响。
2011-05-05 cond-mat.soft q-bio.BM
The Physics of Protein Self-Assembly
了解蛋白质自组装对于许多生物和工业过程都很重要。蛋白质可以自组装成晶体、细丝、凝胶和其他无定形聚集体。最终形式包括病毒衣壳和与疾病相关的凝聚相，如淀粉样纤维。虽然看起来不同，但这些组装都源于基本的蛋白质相互作用，并由类似的热力学和动力学因素驱动。在这里，我们回顾了最近的进展，了解蛋白质自组装通过软凝聚物质的角度，重点是三个特定的系统：球状蛋白，病毒和淀粉样纤维。最后，我们讨论了该领域尚未回答的问题。
2016-02-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Destabilization of Alzheimers Amyloid-beta Protofibrils by Bai-calein: Mechanistic Insights from All-atom Molecular Dynamics Simulations
本文通过全原子分子动力学模拟研究天然类黄酮黄芩素（BCL）对Aβ原纤维的去稳定化机制，发现BCL通过竞争疏水接触、破坏盐桥和氢键降低原纤维结构稳定性，表明其可作为治疗阿尔茨海默病的潜在药物。
2024-06-07 cond-mat.soft
Fibril elongation mechanisms of HET-s prion-forming domain: Topological evidence for growth polarity
真菌朊病毒HET-S的朊病毒形成C-末端结构域在生理pH下形成感染性淀粉样蛋白原纤维。从非朊病毒可溶形式到朊病毒原纤维形式的构象转换被认为具有功能作用，因为HET-S以其朊病毒形式参与不同真菌菌株的识别过程。基于HET-s（218 - 289）（朊病毒形成结构域）在其纤维状形式的高分辨率结构的知识，我们在这里提出了一个纤维生长过程的数值模拟，强调纤维状结构的拓扑性质的作用。插入HET-s链被募集到生长的原纤维的尖端的方式的精确热力学分析表明，伸长通过对接和锁定机制进行。首先，链通过形成最长的$β$-链停靠在原纤维上。然后，所有其余分子以纤维状形式重新排列。有趣的是，我们还预测HET-s原纤维的一侧相对于另一侧更适合于维持其生长。所产生的纤维生长的强极性是HET-s纤维结构的复杂拓扑结构的结果，因为中间链的中心环在促进或不促进C-末端尾部与纤维的连接方面起着至关重要的不同作用，这取决于生长侧。
2012-03-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Extended surfaces modulate and can catalyze hydrophobic effects
接口是复杂系统中最常见的主题。为了了解界面的存在如何影响疏水现象，我们使用分子模拟和理论来研究界面处溶质的水合作用。溶质的尺寸范围从亚纳米到几纳米。界面是具有从亲水性到疏水性的一系列化学性质的自组装单分子层。我们表明，在附近的疏水表面组装的驱动力是弱于散装水，并随着温度的升高而降低，在相反的散装。我们用界面涨落和排除体积效应之间的相互作用来解释这些不同的特征-Lum-Chandler-Weeks理论中的物理编码[J. Phys. Chem. B 103，4570- 4577（1999）]。我们的研究结果表明，疏水界面在蛋白质的展开，例如，在内部的伴侣蛋白和淀粉样蛋白的形成中的催化作用。
2011-08-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Sequence Complexity and Monomer Rigidity Control the Morphologies and Aging Dynamics of Protein Aggregates
该研究利用最小模型模拟揭示，单体的序列复杂性与弯曲刚性决定蛋白质聚集体形成液滴、向列型纤维或无定形聚集体，并解释其遍历性差异与老化动力学。
2024-06-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Disentangling kinetics from thermodynamics in heterogeneous colloidal systems
成核和生长（N&G）--在初始均质相中出现新相--是发生气-液、液-液和固-液相分离的最重要的物理现象之一。因此，热力学设定了系统必须向其演化的渐近边界，而动力学试图通过施加实现相分离的传输速率来应对它。在自然界中观察到的所有非均相胶体系统中，组成、形状、结构和最终的物理性质是热力学和动力学之间的权衡结果。在这项工作中，我们证明，通过仔细选择胶体系统和控制微流体装置中的相分离，有可能超越N&G，在最终系统的组成，结构和物理性质中从热力学中解开动力学效应。使用淀粉样蛋白原纤维和纤维素纤维丝状胶体，其中定义相图中的两相区域的双节点曲线由两条单独的垂直线给出，我们挤出设置在一个热力学分支内的另一个分支的解决方案，实现了由热力学设置的组成的微滴或微滴，而结构和形态由动态流动参数定义。我们证明，从N&G范式出发揭示了新的物理现象，如数量级更短的时间尺度，更广泛的相图和内部结构，通过传统的LLPS是不可观察的。我们还表明，通过在胶体液晶液滴内共分散等离子体金纳米粒子，我们的方法能够按需制造多组分异质液晶，提高其潜力，并在多组分结构流体中引入原始的基本原理和技术方向。
2022-03-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
