Catching proteins in liquid helium droplets
提出了一种实验方法,允许在液氦液滴中掺入大质量/电荷选择离子。它表明,液滴可以有效地掺杂有质量/电荷选择的氨基酸,以及与更大的m $\approx$ 12 000 amu的蛋白质细胞色素C在选定的电荷状态。离子掺杂液滴的尺寸通过静电偏转来确定。在所采用的实验条件下,观察到的液滴尺寸非常大,并且范围取决于掺入的离子,从质子化苯丙氨酸的10个$^{10}$氦原子到细胞色素C的10个$^{12}$氦原子。作为一种可能的解释,一个简单的模型的基础上的大小和内能的拾取效率的依赖性。
2010-09-29 physics.atm-clus physics.bio-ph physics.chem-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
Sequence Effects on Internal Structure of Droplets of Associative Polymers
我们使用朗之万动力学模拟的短缔合聚合物与两个贴纸沿其轮廓对称放置,以研究这些聚合物的主要序列对它们的组织内凝聚液滴的影响。我们观察到的形状,大小和数量的贴纸集群内的冷凝液滴的变化,从一个单一的圆柱形纤维到许多紧凑的集群,作为一个不同的位置贴纸沿链轮廓。由于分子内到分子间协会的转换,观察到的遥爪聚合物的液滴老化,但不为其他序列的关联聚合物。我们的研究结果的相关性本质上无序的蛋白质的缩合物进行了讨论。
2020-05-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Pattern formation under mechanical stress in active biological networks confined inside evaporating droplets
本研究利用蒸发液滴产生的剪切应力对微管-驱动蛋白活性网络施加机械刺激,观察到动态图案形成,并证明该装置可作为研究细胞骨架应力响应及无膜区室动力学的原创生物反应器。
2023-05-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Control of encounter kinetics by chemically active droplets
本文通过构建化学活性液滴的微观随机模型并结合布朗动力学模拟,揭示了化学驱动力通过表面动力学调控双分子反应速率,证明生物分子凝聚体既可加速也可减速分子相遇,为理解其作为细胞内反应动力学调节器提供了关键见解。
2025-05-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Liquid-liquid microphase separation leads to formation of membraneless organelles
蛋白质和核酸可以在体外和体内自发地自组装成无膜液滴样隔室。这些液滴的一个关键组成部分是多价蛋白质,其具有几个粘附结构域,这些粘附结构域具有由无序区域隔开的特定相互作用伴侣(其数量决定蛋白质的总化合价)。在这里,使用多尺度模拟,我们表明,这样的蛋白质自组织成微相分离的液滴的各种大小,而不是像弗洛里宏观相分离的平衡状态的均聚物或平衡物理凝胶。我们表明,微相分离状态是两个竞争过程之间的相互作用的动态结果:蛋白质之间的扩散限制的遭遇,和小集群内的动态,导致可用的化合价耗尽,从而所有专门相互作用的域找到他们的相互作用的合作伙伴在较小的集群,导致逮捕相分离。我们首先将这些多价链建模为珠弹簧聚合物,其中多个粘合剂域由半柔性连接体分开,并使用Langevin Dynamics(LD)来评估关键时间尺度如何取决于缔合聚合物的分子性质。使用从LD模拟的时间尺度,我们开发了一个粗粒度的动力学模型来研究这种现象在较长的时间。与LD模拟一致,宏观相分离状态仅在高浓度和大的相互作用价态下观察到。此外,在簇大小接近宏观相分离的情况下,凝聚相变成动态固体状,这表明它可能不再具有生物功能。因此,微相分离状态可能是由具有粘附-间隔结构的蛋白质形成的功能液滴的标志。
2020-01-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Spatial control of irreversible protein aggregation
液体细胞隔室在空间上与细胞质分离,并且可以调节异常蛋白质聚集,这是与包括阿尔茨海默病和帕金森病在内的几种医学病症相关的过程。然而,这些液滴样隔室影响蛋白质聚集的机制仍然未知。在这里,我们结合蛋白质聚集和液-液相分离的动力学理论,研究在液体隔室的存在下,不可逆的蛋白质聚集的空间控制。我们发现,即使对于室成分和聚集单体之间的弱相互作用,聚集体相对于周围的细胞质在液体室内部强烈富集。我们发现,这种富集是由一个正反馈机制的聚集成核和生长介导的通量保持之间的室和细胞质的相平衡。我们的模型预测,最大限度地提高聚集体富集在隔间的隔间体积是由聚集体成核的反应顺序。聚集体富集的潜在机制可用于将细胞毒性蛋白聚集体限制在液滴样隔室内,这表明了针对异常蛋白聚集的潜在新途径。我们的研究结果也可能代表一般不可逆化学反应的空间控制的共同机制。
2018-09-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Sequence design-based control of DNA droplets formed from phase separation of DNA nanostructures
DNA具有实现可控液-液相分离(LLPS)系统的潜力,因为其碱基序列的设计导致可编程的相互作用。在这里,我们开发了一种新的基于DNA的LLPS系统,使我们能够创建“DNA液滴”,并通过设计DNA纳米结构的序列来控制它们的动态行为。我们能够通过设计序列来改变DNA液滴形成所需的相分离温度。此外,通过序列设计和酶促反应来控制Janus形液滴的融合、分裂和形成。此外,用序列设计的DNA修饰蛋白质允许将它们捕获到特定的液滴中。总的来说,我们的研究结果提供了一个新的平台,设计的相行为的大分子结构,并铺平了道路,为新的应用程序的序列设计的DNA在创建细胞模拟,合成无膜细胞器,和人工分子系统。
2019-07-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Physical Mechanism of Vacuole Formation in Liquid Droplets
University of Augsburg(奥格斯堡大学);University of Oslo(奥斯陆大学);Heidelberg University(海德堡大学);Max Planck School Matter to Life(马克斯·普朗克物质与生活学院);Technical University of Munich(慕尼黑工业大学)
研究液滴中液泡形成的物理机制,通过理论证明其由局部失稳形成,利用非平衡热力学开发理论框架确定控制条件,结果有助于促进液泡化及实现多隔室工程功能。
2026-07-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
Action at a distance in transcriptional regulation
越来越多的证据表明,蛋白质与DNA上的特定位点结合可以激活遗传信息的读出,而无需与基因直接物理接触。还有证据表明,这些遥远但相互作用的位点嵌入在从周围溶液中冷凝出来的蛋白质液滴中。我们认为,液滴介导的相互作用可以占基因调控的关键功能,只有当液滴是在其相图中的一个非通用点。我们探索一个最小的模型,体现了这一想法,表明该模型具有自然的自我调整机制,并建议直接的实验测试。
2019-12-18 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
A Brownian dynamics study of liquid-liquid phase separation in multi-scale chromatin networks
Sorbonne Université(索邦大学);CNRS(法国国家科学研究中心)
研究通过布朗运动模拟探讨染色质纤维环境对相分离凝聚体形态和空间组织的影响,揭示多尺度结构异质性如何调控生物分子凝聚体的形成与组织。
2026-05-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Water evaporation from solute-containing aerosol droplets: effects of internal concentration and diffusivity profiles and onset of crust formation
唾液主要由水组成,但还包括各种有机和无机物质,如盐、蛋白质、肽、粘蛋白、病毒粒子等。这些溶质的存在影响在空气中沉降的呼吸道飞沫的蒸发时间,从而影响感染的空气传播。从液滴内和周围的蒸汽相耦合的热传导和水扩散方程的解决方案,我们发现,溶质引起的水蒸汽压降低大大减缓了蒸发过程中,并占主导地位的溶质浓度依赖的液滴蒸发时间。蒸发诱导的溶质浓度梯度附近的液滴表面,这是占使用两个阶段的蒸发模型,被发现进一步加剧减慢干燥过程。另一方面,发现溶质的存在减少了液滴的蒸发冷却,这导致蒸发时间略微减少。总的来说,前两种效应占主导地位,这意味着液滴蒸发时间在溶质存在下增加。液滴内部的水扩散系数的溶质浓度依赖性不显着改变蒸发时间。最后,结壳形成的液滴表面上被发现,以增加液滴的最终平衡尺寸。
2021-04-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Theory of Wetting Dynamics with Surface Binding
本文通过非平衡热力学推导表面结合与体相耦合的润湿动力学方程,发现表面结合通过在表面内成核液滴加速润湿,并揭示二维表面液滴可通过结合亲和力调控液滴润湿动力学。
2024-08-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Physical observables to determine the nature of membrane-less cellular sub-compartments
复杂生化反应的空间组织对于细胞过程的调节是必不可少的。无膜结构称为含有高浓度特定蛋白质的病灶,已在各种情况下报道,但其形成机制尚未完全了解。存在几种难以凭经验区分的竞争机制,包括液-液相分离和通过多个结合位点捕获分子。在这里,我们提出了一个理论框架,并概述了观测值,以区分这些情况下,从单分子跟踪实验。在结合位点模型中,我们推导出蛋白质的分布,它们的扩散性质,和它们的径向位移之间的关系。我们预测,蛋白质搜索时间可以减少液体液滴内的目标,但不是在缓慢移动的结合位点的聚集。这些结果是适用于未来的实验,并建议不同的生物学作用的液滴和结合位点灶。
2021-04-01 physics.bio-ph
Surface Passivation Method for Super-repellence of Aqueous Macromolecular Condensates
本文提出用12 kDa化学交联PEGDA透明水凝胶涂覆载玻片,实现超低表面张力大分子及蛋白质相分离液滴的完全去润湿与最小钉扎。
2023-06-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Bacterial stress granule protects mRNA through ribonucleases exclusion
本研究揭示细菌应激颗粒通过长度依赖的相分离选择mRNA,并利用表面电荷排斥核糖核酸酶,从而保护mRNA免受降解,并在应激解除后促进翻译,增强细胞适应性。
2024-07-19 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.CB
Family-specific scaling laws in bacterial genomes
在进化基因组学中发现的几个定量不变量中,最引人注目的是蛋白质或蛋白质结构域的总体丰度的缩放,在给定大小的基因组中共享特定的功能注释。平均而言,这些功能类别的大小在蛋白质编码基因的总数中以幂律变化。在这里,我们表明,这样的竞争并不局限于高层次的功能类别的整体行为,但也系统地存在于蛋白质结构域的单个进化家族的水平。具体而言,每个家族中的蛋白质数量遵循家族特异性比例法则与基因组大小。功能相似的族集合往往遵循相似的比例定律,但情况并非总是如此。为了系统地理解这一点,我们提供了一个全面的分类家庭的基础上,他们的缩放属性。此外,我们开发了一个定量分数的异质性的缩放属于一个给定的类别或预定义的组的家庭。在普遍合理的假设下,选择是完全或主要由生物功能驱动的,这些发现指出了特定蛋白质结构域的微调和相互依赖的功能作用,超出了我们目前的功能注释。这项分析提供了一个更深入的了解蛋白质家族的进化扩张和功能限制之间的联系,塑造细菌基因组的基因库。
2017-03-28 physics.bio-ph q-bio.GN q-bio.QM
Influence of Local and Residual Structures on the Scaling Behavior and Dimensions of Unfolded Proteins
虽然最近的化学变性蛋白质的光谱研究暗示在显着的非随机残留结构,广泛的小角度X射线散射研究的结果表明随机线圈的行为,呼吁这些看似矛盾的意见的连贯理解。在这里,我们报告的结果的Monte Carlo研究的两种类型的本地结构,螺旋和聚脯氨酸II(PPII)螺旋,随机卷曲聚丙氨酸链的尺寸被视为高度变性蛋白质的模型的影响。与α螺旋含量为20%,对应于拉马钱德兰的概率是在螺旋盆地,实验观察到的回转半径恢复。实验半径同样恢复在一个螺旋含量为87%,提供了一个解释先前令人困惑的实验发现,高度螺旋甲醇诱导的未折叠状态的尺寸是实验上无法区分的螺旋穷人尿素未折叠状态。相反,回转半径随着PPII含量的增加而单调增加,并且总是比实验观察到的尺寸更大。这些结果表明,PPII不太可能是唯一的,占主导地位的未折叠蛋白质的首选构象。
2009-07-10 physics.bio-ph physics.comp-ph
Mechanism, scaling and rates of protein aggregation from in vivo measurements
蛋白质聚集体的形成和增殖在许多破坏性神经退行性疾病中起着核心作用。许多实验研究表明,现有聚集体复制的能力是在一系列疾病中产生致病作用的关键特性。然而,考虑到体内过程的复杂性,目前还没有原则性的通用方法来获得生命系统中测量的聚集体形成的基本步骤的速率。为了应对这一挑战,在这里,我们提出了一个一般的方法来分析聚集动力学,认为广泛的类的过程,可以描述一个家庭的缩放解决方案。我们的方法不仅限于纤维状骨料,但适用于任何骨料形状。我们表明,可以可靠地提取率通过拟合一个简单的逻辑函数,甚至从生活系统中的实验数据,并给出了一个非常一般的分析表达式,涉及缩放的指数速率与单体浓度的微观细节的基础反应。因此,这种方法可以用来推断微观机制驱动聚集过程中的宏观测量在复杂系统。
2020-08-21 physics.bio-ph q-bio.MN
Scaling Law for Radius of Gyration and Its Dependence on Hydrophobicity
生物分子几何量和动力学量的标度律是一个有趣的课题。根据Flory理论,发现均聚物链长与回转半径之间存在幂律关系,其指数在良溶剂时为3/5,在不良溶剂时为1/3。对于生理条件下的蛋白质,在两者之间的溶剂条件下,得到了指数为~2/5的幂律。本文提出了一个统一的公式,以涵盖上述所有情况。结果表明,在一定的溶剂条件下,标度指数一般与链的分形维数相关。当我们的公式应用于蛋白质,分形维数被发现依赖于它的疏水性。通过把一个物理过程的氨基酸突变链的疏水性变化,一个等效的化学过程,通过添加极性或非极性分子的溶剂的极性变化,我们成功地剥夺了这种关系,合理的协议统计数据。这将有助于蛋白质结构的预测。我们的研究结果表明,蛋白质可以共享相同的基本原则,与均聚物,尽管它的特异性作为一个杂聚物。
2007-11-23 physics.bio-ph physics.chem-ph
Scaling Graph Neural Networks to Large Proteins
Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院)
本研究提出DISPEF数据集和Schake架构,通过优化GNN计算效率,提升大蛋白质能量和力预测的准确性与迁移性。
2024-10-04 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Non-exponential relaxation and hierarchically constrained dynamics in a protein
层次约束动力学模型内的缩放分析再现碳单氧肌红蛋白的动力学研究中观察到的非指数松弛的主要特征。
2004-12-02 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.BM