阻碍负载促使形成集群配置，从而增强多个 Kinesin-1 在货物运输过程中的稳定性

大分子拥挤和瞬时相关微管相关蛋白改变驱动蛋白的运动转运

Kinesin Motor Transport is Altered by Macromolecular Crowding and Transiently Associated Microtubule-Associated Proteins

泡状物质、细胞器和其它大分子的细胞内运输是将大型物品移动通过拥挤且不均匀的细胞环境的必要过程。在努力剖析拥挤和日益复杂的细胞环境对单个马达蛋白运输的基本影响，我们进行了体外重建实验，在拥挤剂和瞬时微管相关蛋白的存在下，单个驱动蛋白-1马达在微管上行走，更紧密地模仿细胞环境。由于惰性聚合物的大分子拥挤引起增强运行长度的电机，但表现出增加的趋势，非特异性电机协会和扩散，最有可能是由于耗尽的相互作用。我们发现，瞬时结合的相关蛋白减慢了向前运动，但并没有显着影响协会的时间，在以前报道的稳定相关的微管相关蛋白，如神经元蛋白tau的障碍特性相反。在日益复杂的重组环境中的分子马达的运输特性的这种研究是重要的，以阐明细胞内货物运输的基本过程的基本生物物理学原理。

单个发动机的有限加工能力提高了自组装发动机-货物复合体的整体运输通量

Limited processivity of single motors improves overall transport flux of self-assembled motor-cargo complexes

单个驱动蛋白分子马达在解离前可以沿着微管（MT）进行平均几微米的连续运动。然而，发生运输的细胞长度尺度是几百微米或更大。为什么看似不可靠的发动机被用来运输细胞货物仍然知之甚少。我们提出了一个新的理论，如何低的持续性，一个单一回合的定向运动的平均长度，可以提高细胞运输时，电机和货物必须首先扩散自组装成复合物。我们采用随机建模，以确定对整体货物运输流量的持续性的影响。我们表明，在广泛的生理相关条件下，拥有“无限”的持续合成能力并不能最大限度地提高沿MT的通量。相反，我们发现低的持续合成能力，马达与MT的弱结合是最佳的。这些结果揭示了持续合成能力和运输效率之间的关系，并为低运动持续合成能力的生理益处提供了新的理论。

拔河作为分子马达双向货物运输的合作机制

Tug-of-war as a cooperative mechanism for bidirectional cargo transport by molecular motors

细胞内运输是以分子马达为基础的，分子马达沿着细胞骨架丝拉动货物。一种运动蛋白总是在一个方向上运动，例如，传统的驱动蛋白运动到微管正端，而细胞质动力蛋白运动到微管负端。然而，许多细胞货物被观察到双向移动，涉及正端和负端定向电机。这种双向运输的最简单的机制可能是由两种运动物种之间的拔河比赛提供的。理论上研究了这种机制，使用在单分子实验中测得的单个电机的负载依赖性的传输特性。与以前的预期相反，这样的拔河被认为是高度合作的，并表现出七种不同的运动机制，这取决于单个电机参数的精确值。细胞可以利用运输过程对小参数变化的敏感性来调节其货物运输。

分子马达的拔河：不均匀负载分配的影响

Tug-of-war of molecular motors: the effects of uneven load sharing

我们从理论上分析了两种极性相反的马达沿微管运输货物的问题。我们考虑两种不同的一维模型先前在文献中开发。一方面，一个相当普遍的模型，假设相等的力共享，这里称为平均场模型（MFM）。另一方面，一个随机模型（SM），考虑个别汽车货运环节。我们发现，在一般情况下，MFM预测更大的货物平均速度，较小的平均运行时间和更少的频繁的逆转比SM。这些现象被认为是负载分担假设的后果，可以解释为不同运动状态的概率。我们还探讨了两种模型中的粘度的影响和SM内的马达货物链接的刚度的作用。我们的研究结果表明，平均货物速度是独立的刚度，而平均运行时间减少这样一个参数。我们探讨的情况下，对称的向前和向后的电机考虑驱动蛋白-1参数，和运输的问题驱动蛋白-1和细胞质动力蛋白考虑两组不同的参数先前提出的动力蛋白。

多个分子马达的协同货物运输

Cooperative Cargo Transport by Several Molecular Motors

从理论上研究了多个分子马达协同作用下货物粒子的输运问题。运输性质主要取决于可以同时拉动货物颗粒的马达分子的最大数量$N$。由于每个马达必须在有限步数之后从灯丝上解绑，但也可以再次重新绑定到灯丝上，因此牵引马达的实际数量不是恒定的，而是随时间在零和$N$之间变化。最大数量$N$的增加导致货物颗粒的平均行走距离（或运行长度）的强烈增加。如果货物由高达$N$驱动蛋白马达拉动，例如，行走距离估计为$5^{N-1}/N$微米，这意味着7或8个驱动蛋白分子足以获得厘米范围内的平均行走距离。如果货物颗粒抵抗外部负载力被拉动，则该力在马达之间共享，这提供了非平凡的马达-马达耦合和非线性力-速度关系的通用机制。随着载荷的增加，瞬时速度的概率分布向较小的值移动，变得更宽，并发展出多个峰值。我们的理论与现有的实验数据是一致的，并进行定量预测，可访问系统的体外实验。

带有系绳松弛的协同分子马达集合体的有效输运统计

Effective transport statistics for cooperative molecular motor ensembles with tether slack

本文针对带松弛系绳的双分子马达集合体输运模型，修改渐近分析并提出双指数参数化方法，使理论统计与模拟结果吻合，为细胞内输运建模提供改进方案。

动力蛋白团队在拔河比赛中的有效性有助于降低脱离的负荷敏感性：来自盘基网柄藻双向内体运输研究的证据

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。

驱动蛋白在粘弹性介质中的运动

On the motion of kinesin in a viscoelastic medium

驱动蛋白是一种沿微管运输货物的分子马达。动力学模型\cite{Clancy11}描述了许多关于驱动蛋白-1的{ \it in vitro}实验的结果，其中一个转变对应于拴系的运动头的向前运动和随后的结合。我们认为，在一个粘弹性介质中，如细胞的胞质溶胶，这一步是不马尔可夫的，必须描述一个非指数的等待时间分布。我们引入一个半马尔可夫动力学模型驱动蛋白，考虑到这种效果。对于任意的等待时间分布，我们计算所做的步数的矩母函数，并由此确定电机的平均速度和扩散常数。我们说明了我们的结果的情况下，等待时间分布是威布尔。我们发现，对于现实的参数值，粘弹性降低的速度和扩散常数，但增加的随机性（或范诺因子）。

动力蛋白捕获键作为相互依赖的双向细胞运输的介质

Dynein catch bond as a mediator of codependent bidirectional cellular transport

微管细丝上货物的细胞内双向运输是通过反向动力蛋白和驱动蛋白马达的集体作用实现的。实验已经发现，在某些情况下，抑制一种类型的运动的活动导致细胞货物在两个方向上的运动性的总体下降。这种违反直觉的观察，被称为{ \em相互依赖悖论}，与现有的反向马达之间的机械拔河范式不一致。与驱动蛋白不同，动力蛋白马达表现出捕获结合，其中这些马达的解结合速率随着作用在它们上的力的增加而降低。在一个理论模型中阐明动力蛋白的这种捕获结合行为，我们表明，两种马达物种的功能分歧表现为一种内部调控机制，并导致生物相关制度中的相互依赖的运输行为。利用解析方法和随机模拟，我们分析了连续性的特点和概率分布的运行时间和暂停时间的运输细胞货物。我们发现，捕捉键合可以大大改变的传输特性，也提供了一个合理的解决方案的悖论的相互依赖。

机动运输中货物热波动的双向性

Bidirectionality From Cargo Thermal Fluctuations in Motor-Mediated Transport

分子马达蛋白是细胞内运输的重要组成部分，通过产生力来沿着细胞骨架丝拖动货物。两种方向相反的马达（例如驱动蛋白、动力蛋白）可以附着在相同的货物上，已知这会产生双向净运动。虽然以前的工作集中在电机数量作为开关的驱动噪声源，我们提出了一种替代机制：货物扩散。本文提出了一个平均场数学模型来研究两种分子马达与货物热涨落（扩散）的机械相互作用。电机对货物速度波动的延迟响应被量化，允许完整模型减少单个“特征距离”，这是货物上净力的代理。然后发现该系统是亚稳态的，完全由于不同的定向运输状态之间的货物扩散切换。然后使用平均首次通过时间分析研究在这些状态之间切换的时间。切换时间被发现是非单调的货物的阻力，提供了一个实验测试的理论。

单马达突变对分子马达包绕体的紧急转运特性的影响

Emergent Transport Properties of Molecular Motor Ensemble Affected by Single Motor Mutations

细胞内运输是真核细胞的一项基本功能，由马达蛋白（将化学能转化为动能的蛋白质）促进。已知马达蛋白以团队方式工作，使得细胞内货物能够长距离单向和双向运输。通常由改变单个运动特征的突变引起的潜在运输机制的破坏已知会导致神经退行性疾病。例如，驱动蛋白马达结构域在丝氨酸残基处的磷酸化与亨廷顿氏病有关，最近对磷酸化和拟磷酸化丝氨酸残基的研究表明单个马达失速力降低。在这篇文章中，我们报告了这种性质的突变对多个野生型和突变型马达所携带的货物运输特性的影响。结果表明，突变体与改变失速力量可能会决定平均速度和运行长度，即使他们是由野生型电机在合奏。结果表明，突变体获得竞争优势，并导致预期运行长度的增加时，货物上的负载是在附近的突变体的失速力或其失速力的倍数。本文的另一个贡献是发展了一种半分析方法来分析多种类型的多个发动机的货物运输。该技术使用各种绝对配置之间的转换速率来确定运载货物的马达的各种相对配置之间的转换速率。这使得能够精确计算平均速度和运行长度。它也可以用来引入各种单电机参数的改变，以模拟突变，并推导出这种改变对多个电机运输共同货物的影响。我们的方法是很容易实现的，我们提供了一个通用的软件包。

基于微管的多个全同分子马达输运的渐近分析

Asymptotic Analysis of Microtubule-Based Transport by Multiple Identical Molecular Motors

我们描述了一个系统的随机微分方程（SDES）模型之间的相互作用进行性分子马达，如驱动蛋白和动力蛋白，和生物分子货物，他们拖作为微管为基础的细胞内运输的一部分。我们表明，经典的实验环境适合在一个参数范围内，这是定性不同的条件下，人们期望在活细胞中找到。通过渐近分析我们的系统的SDES，我们开发了一种方法，用于应用在体外观察的非线性响应的电机上所连接的货物上引起的力进行分析预测的两个参数的制度，迄今为止，逃避直接的实验观察：1）高粘度的体内运输和2）动力学时，多个相同的电机连接到货物和微管。

进行性分子马达货物运输的随机模拟

Stochastic simulations of cargo transport by processive molecular motors

我们使用随机计算机模拟研究运输的球形货物颗粒沿着微管样的轨道上的平面基板上的几个驱动蛋白样的加工马达。我们新开发的粘合剂电机动力学算法结合了数值积分的朗之万方程的运动与动力学规则的分子马达的球。朗之万部分包括扩散运动、牵引马达的作用以及球与壁之间的流体动力学相互作用。电机的动力学规则包括绑定到灯丝和从灯丝解除绑定以及主动电机步骤。我们发现，模拟的平均运输长度呈指数增长与绑定电机的数量，与早期的结果吻合得很好。对于用作连接器力学模型的弹簧和电缆，在电机轨道的绑定范围内的电机数量随时间波动，具有泊松分布。只有在粘度和附着时间高的情况下，才会出现在相等载荷分担意义上的协同性。

一个沿反极微管束的马达介导的双向转运模型

A model for motor-mediated bidirectional transport along an antipolar microtubule bundle

细胞器的长距离双向运输依赖于马达蛋白驱动蛋白和动力蛋白。使用从真菌模型系统获得的定量数据，我们以前开发的ASEP模型的电机沿单极微管（MT）附近的细长菌丝细胞的细胞末端（本文称为“单极部分”）的双向运动。然而，最近在该系统中的定量活细胞成像已经证明，马达及其内体货物的长程运动性主要沿着细胞的中心部分（本文称为“双极部分”）内的延伸的反极微管束发生。动力蛋白和驱动蛋白-3马达协调它们的活动以双向方式移动早期内体（EE），其中动力蛋白沿着靠近细胞极的单极部分介导逆行运动，而驱动蛋白-3负责沿着反极部分的双向运动。在这里，我们扩展我们的建模方法来模拟沿反极微管束的双向运动。在我们的模型中，货物（颗粒）改变方向的每个MT与转向率$Ω$和MT相互连接在负端，在那里颗粒可以跳跃MT之间的速率$q_1$（障碍诱导切换率）或$q_2$（端诱导切换率）。通过数值模拟和平均场近似，我们研究了不同总密度$Θ$的MT的粒子分布。我们发现，即使$Θ$很低，系统也可以在正端和负端附近的密度分布中表现出由粒子碰撞引起的激波。我们还讨论了如何切换率$q_{1,2}$的影响类型的电机，占主导地位的积极运输束。

分子马达双向运输中的自组织通道形成

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。

Tunable intracellular transport on converging microtubule morphologies

A common type of cytoskeletal morphology involves multiple converging microbutubules with their minus ends collected and stabilized by a microtubule organizing center (MTOC) in the interior of the cell. This arrangement enables the ballistic transport of cargo bound to microtubules, both dynein mediated transport towards the MTOC and kinesin mediated transport away from it, interspersed with diffusion for unbound cargo-motor complexes. Spatial and temporal positioning of the MTOC allows for bidirectional transport towards and away from specific organelles and locations within the cell and also…

动力蛋白电动机驱动集体运输中的捕捉键机制

Catch bond mechanism in Dynein motor driven collective transport

最近的实验表明，动力蛋白马达表现出捕获键合行为，其中单个动力蛋白的解键速率随着力的增加而减小，对于一定范围的力。受这些实验的启发，我们提出了一个模型，捕捉绑定动力蛋白使用阈值力键变形（TFBD）模型，其中捕捉绑定集在超过一个临界施加的负载力。在此模型框架内，我们研究了捕获结合对多个动力蛋白马达所携带的细胞货物的单向运输特性的影响。我们发现捕获键合可以导致运输特性的巨大变化，这与驱动蛋白驱动的单向运输形成鲜明对比，其中捕获键合是不存在的。我们预测，在某些条件下，蜂窝状货物的平均速度实际上可以随着施加的载荷的增加而增加。我们用捕获键强度和电机失速力参数空间中的速度剖面相位图来表征输运性质。这个相图产生的预测，可以通过适当的修改电机运输和绑定性能的实验访问。我们的工作需要重新审视现有的集体双向运输的细胞货物的动力蛋白在本文中描述的捕获键效应预计将发挥至关重要的作用的理论。

基于微珠的试验中多马达转运概率的定量测定

Quantitative Determination of the Probability of Multiple-Motor Transport in Bead-Based Assays

由于分子马达的最长尺寸通常小于100 nm，因此它们明显低于光学分辨率极限。尽管在荧光成像方法的重大进展，标记珠仍然是关键的光学捕获为基础的调查分子马达。基于珠粒的测定中的关键实验挑战是珠粒上的马达的数量没有很好地定义。特别是对于单分子研究，单与多电机事件的概率还没有实验研究。在这里，我们使用珠行程距离作为多电机运输的指标，并确定了两个或更多个电机的珠运输的下限概率。我们限制ATP浓度，以增加我们的检测灵敏度为多个与单驱动蛋白运输。令人惊讶的是，除了最低的电机数量，我们的测量结果超过了以前模型的估计R2倍。为了弥合理论与实验之间的这一明显差距，我们推导出了多个电机的珠粒运输概率的封闭形式表达式，并使用我们的实验测量来约束该模型中唯一的自由参数。我们的数据表明，驱动蛋白在珠运输过程中延伸到~57 nm，这表明驱动蛋白利用其构象的灵活性与微管在高度弯曲的界面，如那些存在于细胞中的囊泡运输相互作用。据我们所知，我们的研究结果提供了第一个实验约束的指导估计的概率多电机运输的光学捕获研究。这里使用的实验方法（限制ATP浓度）通常适用于分子马达用人工或从细胞提取物中纯化的货物标记的研究。

协调分子马达的随机马尔可夫模型

A Stochastic Markov Model for Coordinated Molecular Motors

许多细胞功能是通过细胞内大分子沿纤维的转运机制来实现的。分子马达如动力蛋白或驱动蛋白是在这些过程中起主要作用的蛋白质。当只有一个蛋白质移动货物颗粒时，这种蛋白质的行为就很好理解了。事实上，已经进行了大量的体外实验来推导单个分子马达的精确模型。然而，体内大分子通常由多个马达携带。本文的主要重点是提供一个分析的行为更多的分子马达相互作用在一起，以提高他们的实际生理行为的理解。先前的研究提供了基于从蒙特卡罗模拟获得的结果的分析。与这些研究不同的是，我们推导出了一个等价的概率模型来描述多个蛋白质偶联在一起的动力学行为，并提供了精确的理论分析。我们能够获得马达蛋白构型的概率密度函数，从而能够更深入地了解它们的行为。