Fluctuations in protein synthesis from a single RNA template: stochastic kinetics of ribosomes
蛋白质是由核糖体这种环状机器聚合而成的，核糖体利用其信使RNA（mRNA）轨道作为相应的模板，这一过程称为翻译。我们深入细致地探讨了翻译的随机性。我们计算了与翻译过程相关的各种分布;其中之一，即停留时间分布，已经在最近的单核糖体实验中测量（Wen等人，Nature { \bf 452}，598（2008））。我们的理论预测的这种分布的形式是一致的，从实验数据提取。对于我们的定量计算，我们使用一个模型，捕获每个单独的核糖体的机械化学以及它们的空间相互作用。我们还证明了真正的基因的序列不均匀性的波动和噪音翻译的影响。原则上，我们的新预测可以通过进行{ \it体外}实验来检验。
2008-05-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.GN
Stochastic thermodynamics and modes of operation of a ribosome: a network theoretic perspective
核糖体是活细胞中最大和最复杂的大分子机器之一。它按照模板信使RNA（mRNA）上相应核苷酸序列的指导，逐步聚合蛋白质，这一过程被称为mRNA转录物序列中编码的遗传信息的“翻译”。在（蛋白质）延伸阶段的每个成功的化学机械循环中，核糖体通过一个称为氨基酸的单亚基延伸蛋白质，并通过三个称为密码子的核苷酸在模板mRNA上前进。因此，核糖体也被认为是一个分子马达，其中mRNA作为轨道，其步长为密码子的步长，并且在该循环中水解的两个GTP分子和一个ATP分子作为其燃料。进一步增加复杂性的是导致不同循环的竞争途径的存在，每个循环中的分支途径和无用的燃料消耗既不会导致新生蛋白质的延伸，也不会导致核糖体在其轨道上向前推进。我们研究了一个模型制定的离散化学机械状态的核糖体在翻译的延伸阶段的网络。该模型进行了分析，使用随机热力学和动力学分析相结合的图论方法的基础上。我们推导出相应的主方程的精确解。我们代表的基础网络的周期的稳定状态，并讨论了能量转换过程。我们根据核糖体的平均速度和GTP水解的平均速率来确定核糖体的各种可能的操作模式。我们还计算熵产生的函数的状态间转换的速率和热力学成本的翻译过程的准确性。
2020-02-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Translation with frameshifting of ribosome along mRNA transcript
翻译是原核和真核细胞产生细胞生长所必需的蛋白质的重要过程。大量的实验已经被用来探索平移性质。也已经开发了各种模型来确定翻译的生化机制。然而，为了简化大多数现有的模型，核糖体沿着mRNA转录本的移码被忽略，这实际上发生在真实细胞中，并已被广泛的实验研究。核糖体的移码作用明显影响翻译的效率和速度，因为移码后的核糖体合成的肽链不能折叠成功能蛋白，而且会迅速降解。本文在完全非对称简单排斥过程模型的基础上，提出了一个描述平移过程的理论模型。在这个模型中，核糖体沿着mRNA转录物的移码和核糖体在翻译延伸过程中与mRNA密码子主体的连接/脱离被明确地包括在内。结果表明，随着核糖体移码，正确合成肽链的速度随着翻译起始速率$α$和核糖体脱离速率$ω_d$的增加而先增加后降低。这一结果表明，调节翻译过程以达到蛋白质的最大合成速度在理论上是可行的。沿着mRNA转录核糖体运动的相关问题也从理论上解决。根据参数值，冲击波（或域壁）可能存在的核糖体概率沿mRNA。
2015-02-07 physics.bio-ph q-bio.SC
Optimal localization patterns in bacterial protein synthesis
在$\textit{Escherichia coli}$细菌中，参与蛋白质合成的分子化合物、信使RNA（mRNA）和核糖体显示出明显的细胞内定位模式。然而，仍然缺乏对物理原理的定量理解，这些物理原理将允许人们通过设计、生物工程和优化这些定位模式来控制蛋白质合成。在这项研究中，我们考虑的情况下，mRNA的反应扩散特性的合成修饰允许控制的mRNA和多核糖体结合到mRNA的多聚核糖体$\mathrm{-}$复合物的本地化和化学计量。我们的分析表明，蛋白质合成是可以控制的，例如，通过仅利用mRNA空间定位和化学计量，而不借助于mRNA表达水平的改变，最佳地增强或抑制。我们确定了控制蛋白质合成速率的物理机制，突出了mRNA和自由扩散的核糖体之间的共定位的重要性，以及由于DNA类核的多核糖体化学计量和排除体积效应之间的相互作用。我们工作的全基因组定量预测可以在细胞生物学实验中进行直接验证和实施，其中可以通过荧光显微镜在单细胞和群体中监测定位模式和蛋白质合成速率。
2019-05-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Paused in translation: A model for the transcript length-dependent impact of ribosome-targeting antibiotics
本文构建纳入随机暂停的 TASEP 模型及单簇近似，揭示核糖体靶向抗生素的翻译抑制依赖转录本长度，并由集体动力学主导。
2025-07-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Modeling protein synthesis from a physicist's perspective: a toy model
蛋白质是氨基酸的聚合物。这些大分子由称为核糖体的细胞内机器合成。虽然蛋白质合成的实验研究一直是分子细胞生物学的传统研究领域，但在统计物理学和相关跨学科主题的研究期刊上已经报道了蛋白质合成的重要定量模型。从物理学家的角度来看，蛋白质合成是相互作用的核糖体在信使RNA（mRNA）模板上的经典运输，该模板决定了蛋白质上的氨基酸序列。我们讨论了适当的简化模型和方法。特别是，我们开发和分析一个简单的玩具模型，使用非平衡统计力学的一些基本技术，并预测蛋白质合成的平均速率和核糖体的空间组织在稳定状态。
2007-06-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Optimal control of ribosome population for gene expression under periodic nutrient intake
该研究构建了含资源与核糖体种群调控的蛋白质生产动力学模型，通过解析与准静态近似求解最优控制问题，发现核糖体种群的进食-禁食期切换调控可最大化维持蛋白生产，并确定了对应调控参数范围。
2024-01-11 q-bio.SC
Slip of grip of a molecular motor on a crowded track: Modeling shift of reading frame of ribosome on RNA template
我们开发了一个随机模型的程序化移码核糖体合成蛋白质，同时沿着mRNA模板移动。正常情况下，核糖体的阅读框以一步一步的方式解码mRNA上连续的核苷酸三联体。我们专注于核糖体阅读框的程序性移位，向前或向后，只有一个核苷酸的融合蛋白的结果;它发生时，核糖体暂时失去了它的抓地力，其mRNA的轨道。特殊的“光滑”核苷酸序列以及mRNA链的下游二级结构被认为在程序性移码中起关键作用。在这里，我们探讨了迄今为止被忽视的参数在调节-1程序移码中的作用。具体来说，我们证明，移码频率也可以强烈调节的核糖体，所有这些都从事在同一mRNA的同时翻译的密度，在和周围的滑序列。蒙特卡罗模拟支持从随机动力学的平均场分析得到的分析预测。
2017-05-30 physics.bio-ph q-bio.SC
A biologically motivated three-species exclusion model: effects of leaky scanning and overlapping genes on initiation of protein synthesis
完全不对称简单排除过程（TASEP）最初是作为一种模型引入的，用于描述核糖体在信使RNA（mRNA）上的交通样集体运动，该信使RNA充当单个核糖体的马达样向前步进的轨道。在每一步中，核糖体使用轨道也作为蛋白质合成的模板将蛋白质延长一个单位。但是，预制的、功能上有能力的核糖体不能开始蛋白质的合成;一个亚基定向扫描mRNA，寻找预先指定的位点，在那里它应该与另一个亚基结合，开始合成相应的蛋白质。然而，由于“泄漏”扫描，一小部分扫描子单元错过了目标位点，并在第一个目标之外继续搜索。有时，这种扫描仪成功地识别出标记不同蛋白质合成起始位点的位点。在本文中，我们开发了一个排斥模型，与三个相互转换的物种的硬棒，捕捉这些生物现象的一些关键特征，并研究了不同种类的棒在同一晶格上的流动的干扰的影响。更具体地说，我们确定的同时为适当的平均{ \it第一次通过}时间，我们计算分析使用的形式主义的向后主方程的蛋白质合成的启动。尽管进行了近似，我们的分析预测是在合理的数值数据，我们通过执行蒙特卡罗模拟得到良好的协议。我们还将我们的结果与文献中报道的一些实验事实进行了比较，并提出了新的实验来测试我们的一些新的定量预测。
2019-02-08 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Non-equilibrium, stochastic model for tRNA binding time statistics
蛋白质翻译是细胞生命中最重要的过程之一，但是，尽管在生物化学上得到了很好的理解，但其内在随机性的含义尚未完全阐明。在本文中，我们开发了一个微观和随机模型，它描述了蛋白质翻译的一个关键步骤，即结合的tRNA的核糖体。我们的模型明确考虑了tRNA充电动力学，空间不均匀性和随机波动的核糖体周围的带电tRNA的数量。通过分析这个非平衡系统，我们能够推导出tRNA与核糖体结合所需时间的统计分布，并表明由于tRNA的带电和不带电群体的波动之间的耦合，它偏离了指数。
2014-01-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Clustered bottlenecks in mRNA translation and protein synthesis
我们构建了一个算法，产生大的，带对角转移矩阵的完全不对称排斥过程（TASEP）与本地跳跃率的不均匀性。矩阵对角化数值找到稳态电流的TASEPs的跳变率的局部变化。然后将结果用于研究慢密码子沿mRNA的聚类。邻近的慢密码子簇附近的核糖体密度分布相互作用，当这种瓶颈紧密间隔时，增强了对核糖体通量的抑制。增加慢密码子簇大小，超过$\approx 3-4$，不会显著降低核糖体电流。我们的研究结果得到了广泛的蒙特卡罗模拟验证，并提供了一个生物学动机的解释实验观察到的低使用密码子的聚类。
2003-10-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Analyzing ribosome remodeling in health and disease
监管在很大程度上尚未探索，部分原因是方法上的限制。事实上，我们审查的证据表明，常用的方法，如转录组学，是不够的，因为编码核糖体蛋白（RP）的mRNA的变异性不一定对应于RP的变异性。因此，核糖体的蛋白质重塑应该通过允许直接定量RP的方法来研究，理想的是分离的核糖体。我们回顾了此类方法，重点关注质谱法，并强调方法特定的偏差和控制这些偏差的方法。我们认为，使用多种互补的方法可以帮助减少将可重复的系统偏差解释为核糖体重塑证据的危险。
2020-08-02 q-bio.BM q-bio.MN q-bio.QM
Differential stoichiometry among core ribosomal proteins
了解核糖体的调节和结构对于了解疾病中蛋白质合成及其失调至关重要。虽然核糖体被认为在其核心核糖体蛋白（RP）中具有固定的化学计量，但一些实验表明其组成更可变。测试这种变异性需要直接和精确的RP定量。我们使用质谱法直接定量小鼠胚胎干细胞（ESC）和芽殖酵母的单体和多聚体中的RP。我们的数据表明，在野生型酵母细胞和ESC的核心RP之间的化学计量依赖于生长条件和每个mRNA结合的核糖体的数量。此外，我们发现，与删除RP-基因的细胞的健身成反比，相应的RP在多聚核糖体的富集。总之，我们的研究结果支持存在具有不同蛋白质组成和生理功能的核糖体。
2015-04-15 q-bio.BM q-bio.GN q-bio.MN
Stochastic dynamics and ribosome-RNAP interactions in Transcription-Translation Coupling
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
研究转录-翻译耦合中核糖体与RNA聚合酶的相互作用机制，通过随机模型分析延迟时间分布及保护作用，提出新的度量指标以揭示加速或减速转录的条件。
2022-07-10 cond-mat.stat-mech q-bio.BM q-bio.SC
Ribosome Flow Model with Extended Objects
我们研究了一个确定性的机制模型的核糖体沿mRNA分子的流动，称为核糖体流动模型与扩展对象（RFMEO）。这个模型包含了翻译的许多现实特征，包括mRNA的非均匀转换速率，每个核糖体覆盖几个密码子的事实，以及核糖体不能相互超越的事实。RFMEO是统计力学中一个重要模型的平均场近似，称为扩展对象的完全不对称简单排斥过程（TASEPEO）。我们表明，RFMEO描述的生物物理方面的翻译比以前的平均场近似，它的预测相关性以及与TASEPEO。然而，与TASEPEO不同的是，RFMEO可以使用系统和控制理论的工具进行严格的分析。我们发现，核糖体密度分布沿mRNA的RFMEO收敛到一个独特的稳态密度，这取决于mRNA的长度，沿它的过渡率，和每个核糖体所覆盖的密码子的数量，但不是在初始密度的核糖体沿mRNA。特别是，蛋白质生产速率也收敛到一个独特的稳态。此外，如果沿着mRNA的跃迁速率是周期性的，具有共同的周期T，则沿着mRNA的核糖体密度和蛋白质产生速率收敛到具有周期T的唯一周期模式，即，模型在跃迁速率中引入周期性激发。我们相信，RFMEO可能是有用的建模，理解和再造翻译以及其他重要的生物过程。
2017-05-25 q-bio.SC
Modeling of Ribosome Dynamics on a ds-mRNA under an External Load
细胞中的蛋白质分子是由称为核糖体的大分子机器合成的。根据最近的实验数据，我们降低了核糖体的复杂性，并提出了一个模型来表达其活动的六个主要状态。使用我们的模型，我们研究了在不同的生物相关的情况下，在外力的存在下，翻译速率，并通过RNA双链区在没有或存在外力的翻译。在本研究中，我们给出了翻译速率的定量理论，并表明核糖体的行为更像一个布朗棘轮马达。我们的研究结果可能有助于理解核糖体在生物条件下的行为。
2016-07-25 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Exclusion model of mRNA translation with collision-induced ribosome drop-off
本研究提出碰撞诱导核糖体脱落的mRNA翻译排除模型，发现仅当前导粒子脱落时核糖体电流对起始速率呈非单调依赖，且效应在更大系统中持续。
2023-08-30 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
A resource dependent protein synthesis model for evaluating synthetic circuits
合成基因网络的可靠的计算机设计需要新的方法来模拟有限资源影响下的蛋白质合成过程。我们提出了这样一个新的蛋白质合成模型，它起源于核糖体流动模型，并分别描述了RNA聚合酶和核糖体在mRNA和DNA模板上的运动。通过分析这个模型的收敛特性的基础上的几何考虑，我们提出了额外的见解蛋白质合成过程的动力学机制。此外，我们示范性地展示了如何使用该模型来评估不同负载情况下的合成基因电路的性能。
2016-10-13 q-bio.MN q-bio.SC
Ribosome recycling, diffusion, and mRNA loop formation in translational regulation
我们探索和量化的物理和生化机制，可能是相关的翻译的调节。在从mRNA的3'终止位点延伸和脱离后，部分核糖体机器可以扩散回起始位点，特别是如果它被保持在附近，提高整体翻译速率。利用完全不对称排斥过程（TASEP）的精确和渐近结果模拟了mRNA结合的核糖体的延伸步骤，由于TASEP的核糖体注入速率依赖于起始位点的局部浓度，因此从终止末端发出的核糖体源可以反馈到起始位点，从而得到稳态核糖体通量的自洽方程组。另外的mRNA结合因子也可以促进环的形成或环化，使起始位点和终止位点非常接近。使用简单的非相互作用的聚合物模型的起始和终止位点之间的距离的概率分布。我们发现，起始，或初始核糖体吸附结合所需的最大吞吐量可以显着变化取决于某些值的散装核糖体浓度和扩散常数。如果考虑环促进蛋白和起始/终止位点之间的协同相互作用，则可以以非单调的方式进一步调节通量。潜在的实验来测试假设的物理机制进行了讨论。
2003-09-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Ribosome self-assembly leads to overlapping reproduction cycles and increases growth rate
在宽松的环境中，E.大肠杆菌的干物质每21分钟就增加一倍。在此期间，核糖体、RNA聚合酶和蛋白质组都加倍。然而，如何将细菌倍增时间与生长过程中的其他生物学相关时间尺度联系起来的问题仍然是虚幻的，这是由于这些过程的复杂的时间嵌套模式。特别是，细胞倍增时间和核糖体组装时间之间的关系尚不清楚。在这里，我们开发了一个模型，将生长速率与核糖体组装时间联系起来，并表明自组装步骤的存在增加了整体生长速率，因为在核糖体自组装过程中，现有的核糖体可以通过在前一轮完成之前制造新一批核糖体蛋白质来开始新一轮的繁殖。核糖体繁殖周期的重叠增加了生长速率，超过了通常假设的连续限制。使用最近的数据从核糖体分析和众所周知的测量的平均翻译速率，刚性的边界上的体内核糖体自组装时间设置，这是鲁棒的假设有关的生物噪声。在21分钟的倍增时间，核糖体组装时间被发现约为6分钟-比通常估计的大三倍。我们进一步使用我们的模型来解释最近发现的核糖体组装抑制剂药物的不利影响，并预测限制核糖体组装分子伴侣的表达对整体生长速率的影响。
2018-07-24 q-bio.SC
Deciphering mRNA Sequence Determinants of Protein Production Rate
翻译的生物物理模型中最大的挑战之一是识别影响翻译速率的编码序列特征，从而影响细胞中的整体蛋白质生产。我们提出了一种分析方法来解决基于非均匀完全不对称简单排斥过程的翻译模型，这使我们能够揭示决定蛋白质生产率的核苷酸序列的简单设计原则。我们的解决方案显示了一个很好的协议相比，S。酿酒酵母转录物序列，并预测前10个密码子，连同起始速率的值，是蛋白质生产速率的主要决定因素。最后，我们解释了基于密码子选择调节翻译速率和核糖体密度的进化作用所获得的分析结果。
2018-03-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Control of ribosome traffic by position-dependent choice of synonymous codons
信使RNA通过使用密码子编码氨基酸序列。对于大多数氨基酸，存在多个可以编码氨基酸的同义密码子。翻译速度可以从一个密码子到另一个密码子变化，因此存在改变核糖体速度的空间，同时保持氨基酸序列，从而保持所得蛋白质。最近，人们注意到同义密码子的选择，通过慢翻译和快翻译密码子的分布，不仅影响一个核糖体翻译信使RNA（mRNA）的平均速度，而且可能通过影响多个核糖体碰撞并形成队列的“交通堵塞”的出现而对附近的核糖体产生影响。为了进一步测试这种“上下文效应”，我们在这里调查的同义密码子的序列上的核糖体交通的影响，通过使用核糖体交通模型与密码子依赖的速率，从实验中估计。我们比较了野生型序列和同义密码子随机交换的序列上的核糖体流量。通过模拟87个基因的翻译，我们证明了野生型序列，特别是那些在密码子使用中具有高偏倚的序列，往往具有减少核糖体碰撞的能力，从而优化了翻译装置中的细胞投资。翻译时间的这种减少的幅度可能对细胞生长速率具有显著影响，从而对物种的生存具有重要意义。
2013-09-04 q-bio.GN q-bio.SC
Spatial organization of bacterial transcription and translation
在细菌如$\textit{Escherichia coli}$中，DNA被压缩成靠近细胞中心的类核，而将信使RNA（mRNA）翻译成蛋白质$-$的核糖体$-$分子复合物主要位于两极。我们研究的影响，这种空间组织使用最小的反应扩散模型的细胞转录-翻译机器。我们的模型预测mRNA的$\sim 90\%$被分离到两极，并揭示了由mRNA的流动驱动的核糖体的“循环”，从类核中的合成到两极的降解。为了解决核糖体和mRNA之间存在的非特异性，瞬时相互作用，我们开发了一种新的方法，有效地将这种瞬时相互作用纳入反应扩散方程，这使我们能够量化这种非特异性相互作用的生物学意义，例如核糖体效率。
2016-08-29 q-bio.SC
Variability in mRNA Translation: A Random Matrix Theory Approach
mRNA翻译的速率取决于核糖体沿mRNA的起始、延伸和终止速率。这些速率取决于许多“局部”因素，如mRNA分子附近的游离核糖体和tRNA分子的丰度。所有这些因素都是随机的，它们的实验测量也是有噪声的。一个重要的问题是，细胞中的蛋白质生产如何受到这种相当大的变异性的影响。我们开发了一个新的理论框架来解决这个问题，通过建模的速率相同，独立分布的随机变量，并使用随机矩阵理论的工具来分析稳态生产率。分析揭示了一个普遍性原则：平均蛋白质生产率仅取决于随机变量可能达到的一组可能值。这解释了尽管细胞过程具有压倒性的随机性，但总蛋白质的产生是如何稳定的。
2021-02-24 q-bio.SC
Community control in cellular protein production: consequences for amino acid starvation
必需营养素的缺乏会对细胞中的许多过程产生严重的后果。我们考虑了氨基酸饥饿，当核糖体由于缺乏资源（即携带缺失的氨基酸的tRNA）而停滞时，这会导致mRNA翻译的瓶颈。最近的实验也显示出不太明显的影响，如其他（非饥饿）tRNA种类的充电增加和选择性充电的isoaccepting tRNA。我们提出了一种机制，解释了这些观察结果，并表明，生产的一些蛋白质实际上可以增加饥饿。人们可能会认为，这种反应只能是复杂的控制途径的结果，但在这里，我们表明，这些影响可以自然发生，由于不同资源的供求变化，控制可以通过选择性使用稀有密码子来实现。我们开发了一个翻译模型，其中包括充电和使用的aa-tRNA的动态，明确考虑到特定的密码子序列的影响。这构成了在群落水平出现的基因调控中的一种新的控制机制，即，通过所有核糖体使用的资源。
2015-11-05 q-bio.SC
aa-tRNA competition is crucial for the effective translation efficiency
翻译是一个重要的生物学过程，通过这个过程，蛋白质从mRNA中包含的遗传信息合成。在这里，我们通过随机模拟模型研究分子水平上的翻译动力学。该模型明确地包括了翻译延伸过程中的RNA序列、核糖体动力学、tRNA库和生化反应。结果表明，翻译效率主要受核糖体数目、翻译起始和翻译延长时间的限制。延伸时间服从对数正态分布，其均值和方差由密码子饱和度和每个密码子结合时aa-tRNA的选择过程决定。此外，我们的模拟结果表明，翻译的准确性呈指数下降的序列长度。这些结果表明，aa-tRNA竞争对于翻译延伸、翻译效率和准确性都是至关重要的，这反过来又决定了正确蛋白质的有效蛋白质生产率。我们的结果改进了蛋白质生产的动力学方程的延迟微分方程，这是依赖于序列信息，通过有效生产率和延长时间的分布。
2015-03-31 q-bio.MN q-bio.SC
Quality control by a mobile molecular workshop: quality versus quantity
核糖体是一种分子机器，它在mRNA轨道上移动，同时使用mRNA作为相应的模板聚合蛋白质。我们定义，并分析计算，这台机器的效率的两种不同的措施。然而，我们认为它的性能在翻译保真度和聚合蛋白质的速度方面得到了更好的评价。我们定义这两个量，并分析计算。保真度是产物质量的量度，而在给定间隔内合成的产物的总量取决于聚合速度。我们表明，为了合成大量的蛋白质，没有必要牺牲质量。我们还探讨了质量控制机制对机械力-化学耦合强度的影响。我们建议用实验来检验这里提出的一些想法。
2010-09-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Mechanical factors affecting the mobility of membrane proteins
膜蛋白的迁移性控制着许多生物学功能。Saffman和Delbrück模型在膜蛋白扩散中的应用并不能解释所有的实验测量。这些差异引发了大量关于力学因素在流动性中作用的研究。在对Saffman和Delbrück模型和一些关键实验进行简短回顾之后，我们将探索各种方法来整合不同力学因素的影响。我们的方法侧重于蛋白质与膜的耦合，这是建模中的核心元素。我们提出了一个一般的，极化子样的模型，其最近的应用程序的曲率敏感蛋白质的流动性，其各种扩展到其他耦合，可能是相关的在未来的实验。
2018-10-23 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
mRNA translation from a unidirectional traffic perspective
本综述以完全非对称简单排他过程（TASEP）为框架，梳理mRNA翻译的研究历史与物理机制，分析该模型的适用性、演化与局限及成功原因，并指出现有研究空白与拓展方向。
2023-12-19 cond-mat.soft q-bio.QM q-bio.SC
Mobility of Min-proteins in Escherichia coli measured by fluorescence correlation spectroscopy
在大肠杆菌中，分裂位点的选择涉及蛋白质MinD和MinE的极到极振荡。不同的振荡机制的基础上，最小的蛋白质之间的合作效应和最小的蛋白质之间的细胞质和细胞质膜的交换已被提出。表征Min-蛋白体内动力学的参数尚不清楚。因此，很难将模型与实验进行定量比较。在这里，我们提出了在体内测量的流动性MinD和MinE使用荧光相关光谱。在相关曲线中可以清楚地看到两个不同的时间尺度。虽然较快的时间尺度可归因于细胞质扩散，但较慢的时间尺度可由膜结合蛋白的扩散或由细胞质与膜之间的蛋白质交换引起。我们确定细胞质MinD的扩散常数约为16μ^{2}/s，而对于MinE，我们发现约为10μ^{2}/s，与导致较慢时间尺度的过程无关。的振荡机制的测量值的影响进行了讨论。
2007-01-29 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.SC
A generalized Michaelis-Menten equation in protein synthesis: effects of mis-charged cognate tRNA and mis-reading of codon
蛋白质一级结构中氨基酸单体的序列由模板信使RNA（mRNA）上相应的密码子序列（核酸单体三联体）决定。蛋白质的聚合，通过连续的氨基酸单体的结合，是由一种称为核糖体的分子机器进行的。我们开发了一个随机动力学模型，捕获的可能性，误读的mRNA密码子和先验的tRNA的错误充电。通过分析和数值方法的结合，我们得到了在这个数学模型中，连续氨基酸在生长蛋白质中掺入所需时间的分布。新生蛋白质的平均延伸速率的相应精确分析表达式是酶促反应平均速率的{ \it Michaelis-Menten公式}的“生物学动机”推广。我们在这里报告的这个广义的Michaelis-Menten式（以及其他一些量的精确解析表达式）显示了与四种不同类型的tRNA的选择相对应的四种不同分支途径的相互作用。
2017-06-01 physics.bio-ph q-bio.QM q-bio.SC
Effects of soft interactions and bound mobility on diffusion in crowded environments: a model of sticky and slippery obstacles
拥挤的环境改变了大分子的扩散，通常减慢了它们的运动，并诱导瞬时异常亚扩散。障碍物的存在也改变了示踪剂的动力学和平衡行为。虽然以前的粒子扩散的理论研究通常假设不可穿透的障碍物或约束力的相互作用，包围粒子，在许多细胞的情况下，绑定粒子保持移动。实例包括膜蛋白或脂质，其在脂质结构域内具有一些进入和扩散，以及可以进入无膜细胞器或隔室（如核仁）的蛋白质。使用一个格子模型，我们研究了示踪剂粒子的扩散运动绑定到软障碍物，允许示踪剂和障碍物占据相同的晶格网站。对于粘性障碍物，绑定示踪剂粒子是不动的，而对于光滑的障碍物，绑定示踪剂可以跳跃而不惩罚相邻的障碍物。在这两种模型中，绑定显着改变示踪剂的运动。绑定时的运动的类型和程度是示踪剂流动性的关键决定因素：光滑的障碍物可以允许几乎不受阻碍的扩散，即使在高障碍物填充分数。为了模拟细胞中的区室化，我们研究了障碍物的大小和一系列的束缚扩散系数如何影响示踪剂的动力学。模型的行为在二维和三维空间中是相似的。我们的工作对细胞内的蛋白质运动和相互作用有影响。
2017-05-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.QM
A FRAP model to investigate reaction-diffusion of proteins within a bounded domain: a theoretical approach
细胞内蛋白质转运的时间和空间分辨测量为生物系统的功能结构和动力学提供了重要线索。光漂白后荧光恢复（FRAP）技术在过去的三十年中被用于测量大分子的迁移率和蛋白质的运输以及与细胞核内固定结构的相互作用。提出了一个理论模型，其目的是描述蛋白质运输的细胞核内，这是一个过程的存在下的边界（即膜）的影响。采用一组反应扩散方程来模拟蛋白质的扩散及其与固定结合位点的相互作用。所提出的模型已被设计为应用于生物样品的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）配备的功能，以漂白的扫描光束，具有径向高斯分布的轮廓特征的区域。所提出的模型导致FRAP曲线，依赖于上和关闭率。半解析表达式被用来定义的开（关）率参数空间的边界在简化的情况下，当分子在一个有界域内移动。该理论模型可与CLSM获得的实验数据结合使用，以研究活细胞中蛋白质的生物物理性质。
2008-01-04 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
