Excitable reaction-diffusion waves of curvature-inducing proteins on deformable membrane tubes
活细胞利用可兴奋的反应扩散波进行内部细胞功能，其中通常涉及曲率诱导蛋白。然而，它们的机械化学耦合的作用还没有很好地理解。在这里，我们报告的曲率诱导蛋白质的可兴奋的反应扩散波和交替的波由于变形引起的膜变形，使用粗粒度的模拟与修改后的FitzHugh-Nagumo模型的管状膜。蛋白质传播波使管状膜变形，并且大的变形诱导出芽和擦除波。波的速度和形状由膜变形和曲率诱导蛋白的空间分布的组合决定。波在方位角方向上也是起伏的，这取决于条件。旋转对称波局部变形管成对称形状，但平均保持直的形状。我们的模拟方法可以应用于其他化学反应模型，并用于研究各种生物膜现象。
2022-08-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Nonequilibrium Membrane Dynamics Induced by Active Protein Interactions and Chemical Reactions: A Review
本综述聚焦非平衡条件下生物膜的时空模式与涨落，结合理论与模拟，阐述活性蛋白力、化学反应调控的蛋白结合过程对膜行为的影响及相关建模方法，还提及两亲分子结构的作用。
2024-07-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Coupling Turing stripes to active flows
我们数值求解的主动线虫流体动力学运动方程，耦合到图灵反应扩散模型，研究的效果，主动对流条纹图案造成的图灵不稳定性。如果整个系统的活动是均匀的，当来自主动平流的通量与来自反应扩散过程的通量相平衡时，图灵斑图就会分解。如果活动与图灵形态发生剂的浓度相耦合，并且相邻的条纹具有相等且相反的活动，则系统自组织成剪切流的模式，条纹倾向于断裂并向旁边滑动以加入它们的邻居。我们讨论了主动不稳定性在控制这些极限之间的交叉中的作用，我们的结果与生物系统中的机械化学耦合有关。
2021-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Ohta-Kawasaki Model Reveals Patterns on Multicomponent Vesicles
本研究提出结合弹性弯曲模型与Ohta-Kawasaki模型的力化学框架，通过谱方法模拟多组分囊泡膜的耦合动力学，复现实验观测形态，为相关研究提供新见解与平台。
2025-10-03 cs.NA math-ph math.MP
Peeling dynamics of fluid membranes bridged by molecular bonds: moving or breaking
生物粘附是复杂生物体在多尺度下运行的关键机械功能。在细胞尺度上，细胞-细胞粘附是显著可调的，以在发育、稳态和疾病期间实现内聚性和延展性。这种可适应的粘附力由嵌入流体膜中的横向移动分子之间的瞬时键物理支持。因此，与固体-固体或固体-流体界面处的特定粘附不同，流体-流体界面处的剥离可以通过破坏键、通过移动键或通过两者的组合来进行。由键迁移率提供的额外自由度如何改变剥离的机制尚不清楚。为了解决这个问题，我们开发了一个理论模型耦合自洽扩散，反应和力学。横向迁移率和反应速率决定了不同的剥离方式。在扩散主导的Stefan型机制中，键运动建立了自稳定动力学，从而增加了有效粘附断裂能。一个反应主导的政权表现出旅行剥离解决方案，小规模扩散和边缘解约束控制剥离速度。在一个混合的反应扩散制度，加强键运动的竞争与削弱键断裂力依赖的方式，定义的强度的粘附补丁。反过来，贴片强度取决于分子性质，如键刚度，力敏感性，或拥挤。因此，我们建立的物理规则，使可调的凝聚力在细胞组织和工程仿生系统。
2022-03-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Surface-dependent Coagulation Enzymes: Flow Kinetics of Factor Xa Generation on Live Membranes
在流动条件下检查了活细胞膜上的外源性凝血途径的初始表面反应。在总表面积为41-47 cm $^{2}$的球形单层上皮细胞上测量fXa（活化凝血因子X）的产生，所述上皮细胞以$>25$ fmol/cm $^{2}$表达TF（组织因子）。用放射性标记蛋白和显色底物以2-8 s的分辨率监测反应物和产物的浓度随时间的变化。在fVIIa和fX的生理浓度下，反应速率为$3.05 \pm 0.75$ fmol fXa/s/cm $^{2}$，与通量无关，比碰撞限制反应的预期速率慢10倍。在0.6-25 fmol/cm $^{2}$范围内，速率也与表面fVIIa浓度无关。相对于非反应示踪剂或预先形成的fXa的渡越时间，在反应室上激活的fX的渡越时间延长。采用一组非线性动力学方程和滞后正态密度曲线对膜反应进行建模，以跟踪各种假设反应机理的反应物的预期表面浓度。只有当模型使用一个缓慢的中间反应步骤时，实验结果才能从理论上预测出来，这与表面扩散一致。这些结果提供的证据表明，在膜内的底物转移是限速的动力学机制，导致启动血液凝固的组织因子途径。
2001-08-31 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
Reaction kinetics of membrane receptors: a spatial modeling approach
本文通过均质化细胞膜建立空间模型，推导四种相互作用场景下稳态分子流入速率的解析表达式，并修正经典充分混合理论，揭示其在某些生物物理参数区间内显著高估反应速率的问题。
2025-01-23 physics.bio-ph q-bio.QM
Interplay between excitation kinetics and reaction-center dynamics in purple bacteria
光合作用可以说是生命的基本过程，因为它使来自太阳的能量进入地球上的食物链。这是一个显着的非平衡过程，其中光子被转换为多体激发，这些激发穿过复杂的生物分子膜，被捕获并在反应中心内引发化学反应，以产生营养物质。这些动力学过程的确切性质-位于量子和经典行为之间的界面，涉及噪声和协调-仍在探索中。在这里，我们专注于一个引人注目的最近的经验发现有关的照明驱动的转变的生物分子膜结构的{ \it Rsp。Photometricum紫色细菌。使用随机实现来描述一个跳跃率模型的激发转移，我们显示数值和分析，这令人惊讶的转变，在首选的架构可以追溯到激发动力学和反应中心动力学之间的相互作用。净效应是细菌在低光照强度下从有效代谢中获益，同时在高光照强度下使用耗散来避免能量供应过剩。
2010-08-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Stochastic single-molecule dynamics of synaptic membrane protein domains
受突触膜蛋白质结构域单分子实验的启发，我们使用随机格子模型来研究拥挤膜中的蛋白质反应和扩散过程。我们发现，突触蛋白的随机反应扩散动力学提供了一个简单的物理机制，集体波动的突触域，观察到的分子营业额在突触域，观察到的突触蛋白的单分子轨迹的关键特征，和空间不均匀的蛋白质寿命在细胞膜。我们的研究结果表明，在细胞膜上的随机反应扩散过程中，可以理解膜蛋白结构域观察到的单分子和集体动力学的中心方面。
2016-11-07 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.NC
Min-protein oscillations in Escherichia coli with spontaneous formation of two-stranded filaments in a three-dimensional stochastic reaction-diffusion model
我们引入了一个三维随机反应扩散模型来描述大肠杆菌中的MinD/MinE动力学结构。该模型自发地产生膜相关MinD蛋白、MinE环以及膜相关MinD蛋白的细丝的极到极振荡。实验数据表明MinD细丝是双股的。为了模拟它们，我们假设每个膜相关的MinD蛋白可以与相邻的膜相关的MinD分子形成多达三个键，MinE诱导的水解强烈依赖于MinD建立的键数。
2006-02-14 physics.bio-ph q-bio.OT q-bio.SC
Origin of subdiffusion of water molecules on cell membrane surfaces
水分子在为细胞膜上的生物反应提供独特的环境方面发挥着重要作用。人们普遍认为，水分子形成连接脂质分子和稳定细胞膜的桥梁。利用全原子分子动力学模拟，我们发现水分子在脂膜表面的平移和旋转扩散表现出亚扩散。此外，我们提供的证据表明，发散平均捕获时间（连续时间随机游走）和长期相关的噪声（分数布朗运动）有助于这种次扩散。这些结果表明，在细胞膜上的亚扩散导致水阻滞，细胞膜的稳定性增强，和更高的反应效率。
2014-01-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.comp-ph
Transient domain formation in membrane-bound organelles undergoing maturation
细胞器的膜成分已被证明分离成域作为生化成熟的结果。我们建议，成熟和横向分离的膜组件之间的动态竞争调节域的形成。我们研究了一种双组分流体膜，其中酶促反应不可逆地将一种组分转化为另一种组分，相分离触发了瞬时膜结构域的形成。示出的最大域大小取决于成熟率作为一个幂律类似于一个观察到的域生长随时间的成熟的情况下，尽管这种时间依赖性不被验证的情况下，不可逆的成熟。这种通过酶活性对结构域大小的控制可能在细胞器内动力学中发挥关键作用。
2013-08-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic lattice model of synaptic membrane protein domains
神经递质受体分子与支架和其他类型的蛋白质一起集中在突触膜结构域中，对化学突触的信号传输至关重要。与其他膜蛋白结构域一样，突触结构域的特征在于低蛋白质拷贝数和蛋白质拥挤，以及单个分子的快速随机周转。我们在这里详细研究了一个随机晶格模型的受体支架反应扩散动力学在突触域，发现以前捕获，在平均场水平，自组装，稳定性和特征尺寸的突触域实验中观察到的。我们表明，我们的随机晶格模型产生定量协议与平均场模型的非线性扩散拥挤的膜。通过结合的解析和数值解的主方程控制的反应动力学在突触域，连同动力学蒙特卡罗模拟，我们发现在突触域的反应动力学的平均场和随机模型之间的实质性差异。基于先前实验和平均场计算所建议的突触受体和支架的反应和扩散性质，我们表明突触受体和支架的随机反应-扩散动力学为突触域中的集体波动、在突触域观察到的分子周转、观察到的单分子轨迹的关键特征、以及受体和支架在细胞膜上再循环的有效速率的空间异质性。我们的工作揭示了将膜蛋白结构域的集体性质与统治其分子成分的随机动力学联系起来的物理机制和原理。
2017-05-17 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.NC
Thermodynamic role of main reaction pathway and multi-body information flow in membrane transport
两类膜转运，即次级主动和被动转运，被理解为在相同的蛋白质结构的不同的反应途径，在本文中描述的16状态模型。为了量化次级主动运输和被动运输之间的热力学差异，我们将由两个子系统组成的四态模型中的自主恶魔的信息热力学第二定律扩展到由代表膜运输的四个子系统组成的16态模型。我们减少了16个状态到4个状态，并推导出粗粒度的信息热力学第二定律，它提供了一个上界的自由能传输的粗粒度的信息流。我们还推导了一个上限的自由能输运的多体信息流表示的两体或四体的相关性，在16状态模型，利用循环分解。粗粒度信息流和多体信息流表达了二次主动和被动输运之间的定量差异。数值分析表明，粗粒度的信息流是积极的二次主动输运和消极输运。四体关联在二次主动输运的多体信息流中占主导地位。相比之下，二体相关性是占主导地位的被动传输。这一结果表明，粗粒信息流的符号以及四体关联和二体关联的差异解释了次级主动输运和被动输运中自由能输运的差异。
2022-04-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Light-harvesting in bacteria exploits a critical interplay between transport and trapping dynamics
最近发现，捕光细菌Rhodocellum Photometricum根据光照条件采用了惊人不同的结构。我们提出了分析和数值计算，解释这一观察，通过量化的激发转移动力学和反应中心循环之间的动态相互作用。高光强度膜（HLIM）利用耗散作为光保护机制，从而保障化学能的稳定供应，而低光强度膜（LLIM）通过将其引导到开放的反应中心来有效地处理未使用的光照强度。更一般地说，我们的分析阐明和量化的权衡自然网络设计的太阳能转换。
2010-03-11 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Reaction-diffusion model for STIM-ORAI interaction: the role of ROS and mutations
$Ca^{2+}$从内质网（ER）$Ca^{2+}$库中的释放导致ER膜中的基质相互作用分子（STIM）和质膜（PM）中的ORAI蛋白相互作用并形成$Ca^{2+}$释放激活的$Ca^{2+}$（CRAC）通道，其代表不可兴奋细胞中的主要$Ca^{2+}$进入途径，从而控制各种细胞功能。在实验上有可能使ORAI 1蛋白突变，从而修饰，特别是阻断$Ca^{2+}$流入细胞。在Hoover and Lewis（2011）[Hoover PJ and Lewis RS，2011]模型的基础上，我们建立了一个反应扩散模型，对CRAC通道形成过程中STIM 1-ORAI 1相互作用进行了定量分析，并与实验数据进行了比较，分析了不同的ORAI 1通道化学计量以及STIM 1和ORAI 1的不同比例。我们将ROS对ORAI 1通道的抑制纳入我们的模型中，并计算其对CRAC通道振幅的贡献。我们观察到由ORAI 1蛋白突变引起的CRAC通道振幅大幅下降。
2019-02-20 physics.bio-ph
Membrane-Associated Self-Assembly for Cellular Decision Making
T. C. Jenkins Department of Biophysics, Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学 T.C. 生物物理学系）
研究通过膜关联自组装实现细胞决策，展示其作为可调且稳健的开关作用，比其他被动机制更敏感，推导出关键受体密度表达式。
2026-05-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Sensing the shape of a cell with reaction-diffusion and energy minimization
一些分裂的细胞通过沿着它们的长轴极化来感知它们的形状。细胞极性部分由极性蛋白质如Rho GTP酶控制，其在活性膜结合形式和非活性胞质形式之间循环，模拟为“波钉扎”反应扩散过程。形状感知是否源于波钉扎？我们表明，波钉扎感测细胞的长轴。在曲面上模拟波钉扎，我们发现高活性畴迁移到表面的峰和谷。对于光滑表面，一个简单的规则，最小化域周长，同时保持其面积固定预测域的最终位置和形状。然而，当我们将粗糙度引入到我们的表面时，形状感测可能会被破坏，并且高活性域可能会被定位到除了表面的全局峰和谷之外的位置。在粗糙表面上，波钉扎模型的域在找到波峰和波谷方面比最小化规则更鲁棒，尽管两者都可能被困在远离波峰和波谷的稳定状态中。我们可以通过改变Rho GT3扩散率和畴大小来控制形状感测的鲁棒性。我们还发现，细胞极性模型的形状感知特性可以解释域如何定位到变形细胞的弯曲区域。我们的研究结果有助于理解允许细胞感知其形状的因素-以及膜粗糙度可以对这一过程施加的限制。
2022-07-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Distribution of first-reaction times with target regions on boundaries of shell-like domains
我们研究的概率密度函数（PDF）的第一反应时间之间的扩散配体和膜结合，不动的不完善的目标区域在一个限制性的“洋葱壳”的几何形状由两个嵌套的膜的任意形状。对于这样的设置，遇到不同的分子信号转导途径或在窄逃逸问题与额外的空间位阻约束，我们推导出一个确切的光谱形式的PDF，以及目前的近似形式计算的帮助下，所谓的自洽近似。对于一个特定的情况下，当嵌套域是同心球，我们得到一个完全明确的近似PDF的形式，评估这种近似的准确性，并讨论所获得的分布的各个方面。我们的结果可以直接用于描述多阶段信号转导过程中末端反应事件的概率密度函数。
2021-11-26 math-ph math.MP physics.bio-ph
A spatial model of autocatalytic reactions
生物细胞的所有表面结构和复杂的内部剥离基本上是囊泡-膜组成的脂质双层形成封闭的囊。囊泡被认为是原始原始细胞的相关模型，它们可以为生物反应发生提供理想的环境。在本文中，我们研究了一组自催化反应的随机动力学，在一个空间有界的域，以模仿一个原始的细胞。自催化反应的组分的离散性引起大的持续振荡，即使组分的数量相当大。这些振荡是时空性质的，不像以前的研究中发现的，其中只包括时间振荡。我们推测，这些振荡可能有一个播种膜不稳定性，导致囊泡分裂的作用。通过这种方式，在简单的原始细胞中，原始细胞的生长和成分（原始遗传物质）的繁殖速度之间可以实现同步。
2010-01-27 cond-mat.stat-mech nlin.AO nlin.PS
Classification of Intracellular Protein Patterns from Reactive Equilibria
Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑大学）；Arnold Sommerfeld Center for Theoretical Physics and Center for NanoScience（阿诺德·索末菲理论物理中心与纳米科学中心）；University of California Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；Kavli Institute for Theoretical Physics（卡弗里理论物理研究所）；Max Planck School Matter to Life（马克斯·普朗克物质与生活学院）
该研究开发了基于守恒结构的几何分类框架，将多组分反应-扩散网络的稳定性分析简化，可预测模式形成不稳定性，应用于原核与真核生物系统，为非平衡系统模式形成研究提供了可解释的实验可行框架。
2026-08-17 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Heterogeneous biological membranes regulate protein partitioning via fluctuating diffusivity
本文利用朗之万动力学与相场方法模拟异质生物膜，揭示了蛋白质在有序/无序域中的扩散率涨落及亚扩散机制，并定量证明域间扩散率差异、域偏好和分子浓度共同决定蛋白质分配。
2023-08-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Drift-Diffusion Dynamics and Phase Separation in Curved Cell Membranes and Dendritic Spines: Hybrid Discrete-Continuum Methods
我们开发的方法研究蛋白质漂移扩散动力学在异质细胞膜和几何形状，扩散，化学动力学和相分离所发挥的作用。我们的混合随机数值方法结合了离散粒子描述与连续水平的模型，用于跟踪单个蛋白质的漂移扩散动力学耦合到连续场。我们展示了我们的方法如何可以用来研究树突棘内蛋白质动力学激发的现象。脊柱的几何形状被假设发挥重要的生物学作用，调节突触强度，蛋白质动力学，和自组装的集群。我们进行模拟研究模型脊柱几何形状不同的颈部大小，以探讨如何相分离和蛋白质组织的影响，不同的形状。我们还展示了我们的方法如何可以用来研究几何形状在反应扩散系统中的作用，包括图灵不稳定性。我们的方法提供了一般的方法研究蛋白质动力学和漂移扩散动力学弯曲膜结构。
2022-08-18 cs.NA math.NA nlin.PS
Relationship between Thermodynamic Driving Force and One-Way Fluxes in Reversible Chemical Reactions
在非平衡开放系统状态下运行的化学反应系统出现在许多情况下，包括生物体的研究，其中化学反应通常远离平衡。在这里，我们介绍了一个定理，涉及正向和反向通量和自由能的任何化学过程中的稳定状态。这种关系是平衡条件对非平衡稳态化学过程的推广，为化学反应自由能提供了一种新的等价定义。此外，它表明，以前不相关的理论介绍了Ussing和霍奇金和赫胥黎跨膜的离子运输，希尔催化循环通量，克鲁克斯在微观可逆系统的熵产生，是统一在一个共同的框架，基于这种关系。
2006-11-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
