The Spanning Tree Model and the Assembly Kinetics of RNA Viruses
单链（ss）RNA病毒在含有病毒RNA基因组分子和病毒衣壳蛋白的溶液中自发地自组装。空衣壳的自组装可以在自由能最小化的基础上理解。然而，在感染细胞的细胞质中完整病毒颗粒的自组装过程中，病毒基因组分子必须从大量非常相似的宿主信使RNA分子中选择，并且不知道这是否也可以通过自由能最小化来理解。我们使用最近提出的一个简单的数学模型来解决这个问题，该模型用于组装小ssRNA病毒（提交给PLOS Biocomputation）。我们提出了一个统计物理分析的模型的属性，发现一个效果动力学RNA选择机制与选择过程中发生的成核复合物的形成。令人惊讶的是，动力学选择性大大提高了适度水平的过饱和度和降低蛋白质与RNA的浓度比。该机制与Hopfield动力学校对方案有关。
2022-03-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Synonymous mutations reduce genome compactness in icosahedral ssRNA viruses
最近的研究表明，单链病毒RNA折叠成比具有相似化学组成和相同长度的随机RNA序列更紧凑的结构。基于这种比较，已经表明野生型病毒RNA可能已经进化为在分子结构上紧密的，以帮助其折叠并协助病毒组装过程。为了进一步探讨紧凑性选择假说，我们系统地比较了预测的大小超过100个野生型病毒序列与它们的突变体，这是在硅片上进化，并受到一些已知的进化限制。特别是，我们强制突变同义性，保留密码子偏好，并保持非翻译区完整。研究发现，这些限制性突变的逐渐积累仍然足以完全消除病毒RNA基因组的特征性紧凑性印记，使它们在这方面与随机改组的RNA在物理上无法区分。这表明保持基因组的物理紧凑性确实是ssRNA病毒进化限制中的主要因素，也有助于证明病毒ssRNA基因组中的同义突变不是严格中性的。
2014-10-28 physics.bio-ph q-bio.BM
Measurements of the self-assembly kinetics of individual viral capsids around their RNA genome
病毒衣壳的形成是自组装的典型例子。病毒衣壳是围绕病毒基因组的高度有序的蛋白质外壳。许多正义RNA病毒的衣壳在体外由外壳蛋白和RNA的混合物自发组装而成。考虑到它们的结构复杂性，组装的适当衣壳的高产率是显着的：180个相同的蛋白质必须排列成三个不同的局部构型以形成三角形数为3（T = 3）的二十面体衣壳。尽管从结构研究和模拟中获得了大量数据，但即使是关于这些结构如何组装的最基本问题也仍未得到解决。实验还没有确定组装途径是否涉及聚集或成核，或者RNA如何控制这一过程。在这里，我们使用干涉散射显微镜直接观察在体外组装动力学的个别，未标记的衣壳的噬菌体MS2。通过测量从1 ms到900 s的时间尺度上有多少外壳蛋白与单个MS2 RNA链结合，我们发现组装的开始在时间上分布很广，随后结合蛋白的数量迅速增加。这些测量为成核和生长途径提供了强有力的证据。我们还发现，当第一个核生长完成之前，同一RNA上出现多个核时，畸形结构就会组装起来。我们的测量揭示了RNA周围病毒衣壳的复杂组装途径的定量细节，包括成核阈值，成核时间，生长时间和限制的临界核大小。这些结果可能为工程合成衣壳或破坏致病病毒组装的策略提供信息。
2018-08-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Why large icosahedral viruses need scaffolding proteins: The interplay of Gaussian curvature and disclination interactions
虽然小的单链病毒外壳自发地使它们的基因组发生变性，但许多大型病毒，如疱疹病毒或传染性法氏囊病病毒（IBDV），通常需要由支架蛋白或内核组成的模板。尽管自然界中大型病毒的增殖，但数百或数千个蛋白质组装形成具有二十面体序（IO）的结构的机制是完全未知的。使用连续弹性理论，我们研究了大的病毒壳（衣壳）的生长，并表明，一个非特异性的模板不仅选择半径的衣壳，但导致错误的蛋白质亚基组装成衣壳与通用IO。我们证明，作为一个球冠的增长，有一个深的潜在的位置的向错，后来在组装过程中将成为一个二十面体的顶点。此外，我们引入了一个极小模型，并在非平衡条件下模拟了病毒壳在模板周围的组装，发现连续弹性理论的结果和数值模拟之间的完美匹配。除了解释现有的实验结果，我们提供了一些新的预测。球形晶体中的其他问题的影响也进行了讨论。
2018-09-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Influence of salt and viral protein charge distribution on encapsidation of single-stranded viral RNA molecules
我们研究的病毒组合物的限制，所设置的静电相互作用的病毒蛋白质，单链病毒RNA分子和单价盐离子在溶液中的电荷的影响。在病毒能量学的平均场模型中，我们证明了盐浓度对病毒组装的重要性。我们发现，在高浓度的一价盐溶液中，病毒RNA分子的糖苷化被抑制。这种效应在具有其电荷分布突出到衣壳内部的蛋白质的病毒中明显不太重要，导致这种病毒在具有高盐浓度的溶液中的稳定性增加。因此，衣壳蛋白臂上的正电荷的离域大大增加了高盐溶液中病毒组装的可靠性。
2008-06-01 physics.bio-ph
Filamentous phages as building blocks for reconfigurable and hierarchical self-assembly
丝状噬菌体如fd样病毒是单分散的棒状胶体，具有明确的性质：直径，长度，刚性，电荷和手性。对这些病毒进行工程改造后，形成了一个胶体棒库，可用作可重构和分层自组装的构建模块。它们在水溶液中的缩合作用{与添加剂聚合物，其作为驱逐剂诱导}杆之间的吸引力导致无数的流体状微观结构，从各向同性/微滴、胶体膜、非手性膜种子、扭曲带、$π$ -壁、孔、胶体skyrmions、莫比乌斯锚、扇贝膜到膜筏。这些结构和它们形状变化的方式不仅揭示了熵、手征挫折和拓扑在软物质中的作用，而且还模拟了不同科学领域中遇到的许多结构。一方面，丝状体作为胶体硬棒的实验实现，它们通过耗尽相互作用介导的凝聚构成了棒状颗粒自组装的蓝图，并为面向生物或材料的应用提供了基础。另一方面，病毒的手性性质限制了某些结果的普遍性，但大大拓宽了自组装的可能性。
2017-11-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
The effect of RNA stiffness on the self-assembly of virus particles
在许多体外条件下，一些小病毒自发地将单链（ss）RNA包裹到称为衣壳的蛋白质外壳中。虽然病毒RNA被发现是紧凑的和高度分支的，因为核苷酸之间的长距离碱基配对，最近的实验表明，在没有二级或更高级结构的ssRNA和病毒RNA之间的头对头竞争中，衣壳蛋白优先封装线性聚合物！本文研究了基因组刚性对RNA与衣壳蛋白复合物的解离自由能的影响。我们发现，由于碱基配对，有效链刚度的增加可能是在某些条件下线性链在支链上具有优势的原因，当涉及到双糖苷化效率。虽然分支使基因组更紧凑，但RNA碱基配对增加了RNA分子的有效库恩长度，这可能导致RNA限制的自由能增加，即RNA限制所需的功，从而降低包装效率。
2018-01-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Effect of coat-protein concentration on the self-assembly of bacteriophage MS2 capsids around RNA
本文研究噬菌体MS2外壳蛋白浓度对RNA周围衣壳自组装的影响，发现随浓度升高产物从完整VLPs变为怪物颗粒和RNA-蛋白质凝聚体，并通过蒙特卡洛模拟揭示凝聚体形成机制，为VLPs设计提供规则。
2024-01-16 physics.bio-ph
Universal relations in the self-assembly of proteins and RNA
植根于物理学的概念在生物学中变得越来越重要，因为我们过渡到一个需要从分子到细胞水平的所有过程的定量描述的时代。在这篇文章中，我讨论了两个意想不到的发现，普遍的行为，在生物学中不常见，在蛋白质和RNA的自组装。这些令人惊讶的发现揭示了物理学思想应用于从折叠到基因表达到细胞运动和细胞间通讯的生物学问题可能会导致发现在可适应的生命系统中运作的普遍原则。
2014-06-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Self Consistent Field Theory of Virus Assembly
基态优势近似（GSDA）已被广泛用于研究病毒外壳的组装。在这项工作中，我们采用自洽的场论（SCFT），研究吸附的RNA上带正电荷的球形病毒壳和检查的条件下，GSDA不适用，SCFT已被用来获得一个可靠的解决方案。我们发现，有两个制度中，GSDA确实工作。第一，当基因组RNA长度与衣壳半径相比足够长时，第二，当基因组和衣壳之间的相互作用如此强烈以至于基因组基本上位于壁附近时。我们发现，对于RNA或多或少均匀分布在壳中的情况，无论RNA的长度如何，GSDA都不是一个很好的近似。我们观察到，随着聚合物-壳层相互作用的增强，基态和第一激发态之间的能隙增大，从而GSDA成为一个更好的近似。我们还提出了我们的结果对应的基因组持久性长度通过切线-切线相关长度，并表明它是零的情况下，GSDA，但等于倒数的能隙时，使用SCFT。
2017-12-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
Varieties of charge distributions in coat proteins of ssRNA+ viruses
正二十面体单链RNA（ssRNA+）病毒的组装和稳定性中涉及的相互作用的主要部分本质上是静电的，这可以从其组装相图的强$pH$和盐依赖性中推断出来。静电相互作用不仅在衣壳外壳蛋白（CP）之间起作用，而且经常对CP与基因组RNA的相互作用提供显著贡献，在很大程度上由CP的带正电荷的柔性N-末端尾部介导。在这项工作中，我们提供了两个明确和互补的定义的N-末端尾巴的蛋白质，并使用它们来提取大量的CP的ssRNA+病毒的尾部序列。我们研究了$pH$依赖的相互作用的尾部和CP的电荷一样，并表明-在CP上的电荷相反-N-尾部的净正电荷持续甚至非常基本的$pH$值。此外，我们注意到，当与不带电荷的尾部和相似衣壳大小的病毒相比时，利用带正电荷的尾部的那些病毒的野生型基因组的长度是有限的。与此同时，我们观察到N尾上的电荷与我们研究中所包括的病毒的基因组长度之间没有明确的联系。
2017-11-29 physics.bio-ph q-bio.BM
Viral genome structures are optimal for capsid assembly
了解病毒衣壳如何围绕其核酸（NA）基因组组装可以促进阻断病毒繁殖或重新设计衣壳用于基因治疗应用的努力。我们开发了一个粗粒度模型的衣壳蛋白和NA，我们调查组装动力学和热力学。与最近的理论模型相反，我们发现衣壳自发地“过度充电”;即，NA的负电荷超过衣壳上的正电荷。当应用于特定病毒时，最佳NA长度与天然基因组长度紧密对应。基于线性聚电解质而不是碱基配对的NA的计算低估了最佳长度，证明了NA结构对衣壳组装的重要性。这些结果表明，静电，排除的体积，NA三级结构是足以预测组装热力学和病毒选择性地将其基因组NA的能力可以解释，至少部分地，在热力学的基础上。
2013-05-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Effect of the charge distribution of virus coat proteins on the length of packaged RNAs
单链RNA病毒有效地将其基因组封装到称为衣壳的蛋白质外壳中。衣壳蛋白N-末端尾部的正电荷与带负电荷的基因组之间的静电相互作用被假定为病毒装配的主要驱动力。最近的实验结果表明，具有相同电荷数和相同长度的N端尾部包裹了不同数量的RNA，这表明单独的静电作用无法解释RNA自组装实验中观察到的所有结果。利用平均场论，我们表明，基因组构型熵和静电的组合效应可以在一定程度上解释包装的RNA与突变蛋白质的位置和尾部上的电荷数被改变的量。了解促成病毒组装的因素可以促进阻断病毒感染或构建用于基因治疗应用的衣壳的尝试。
2020-12-05 physics.bio-ph
Viral RNA as a branched polymer
本章探讨如何通过平面图将病毒长 RNA 分子视为支化聚合物，揭示其特征性紧凑度，并展示如何结合聚合物物理学已知结果与额外相互作用来扩展该模型。
2023-03-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Virus Assembly Pathways inside a Host Cell
简单的RNA病毒自发地自我组装，并将其基因组封装到称为衣壳的外壳中。该过程主要由衣壳蛋白上的正电荷和基因组上的负电荷之间的吸引静电相互作用驱动。尽管它的重要性和几十年的深入研究，病毒如何选择和包装其天然RNA在宿主细胞质的拥挤环境中，在大量的非病毒RNA和其他阴离子聚合物的存在下，仍然是一个谜。在本文中，我们进行了一系列的模拟，以监测病毒外壳的生长，并找到货物外壳蛋白相互作用可以影响病毒外壳的结构和稳定性的机制。我们表明，外壳蛋白亚基可以组装在一个球状核酸核心周围形成非二十面体笼，这是最近观察到的装配实验涉及小片段的RNA。我们发现，由此产生的笼应变，可以很容易地分裂成碎片沿应力线。这表明，如果较大的野生型基因组变得可用，尽管存在无数的非病毒RNA，这种亚稳态非二十面体中间体可以容易地重新组装成稳定的天然二十面体壳。
2022-02-20 physics.bio-ph
An onset model of mutually catalytic self-replicative systems formed by an assembly of polynucleotides
针对生命起源中物质世界向前RNA世界过渡的未解问题，提出了由多核苷酸组装体形成的相互催化自复制系统起始模型，并通过解析与数值计算得出了自复制增长涨落起始的临界条件定量表达式。
2023-04-11 nlin.AO physics.bio-ph
Liquid-liquid phase separation enables highly selective viral genome packaging
针对病毒组装过程如何在大量细胞核酸中选择性包装自身基因组的问题，本文构建凝聚物耦合组装与包装的动力学模型，发现凝聚物通过偏好性分配病毒组分提升组装效率与选择性，为病毒组装机制提供新见解并为人工封装应用提供参考。
2025-08-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
RNA under Tension: Folding Landscapes, Kinetic Partitioning Mechanism, and Molecular Tensegrity
非编码RNA序列在控制许多细胞功能中发挥着重要作用，因此需要定量详细了解其复杂的构象动力学。在这个角度来看，我们首先表明，单分子拉实验与理论和模拟相结合时，可以用来定量探索折叠景观的核酸发夹，核糖开关与三级相互作用。核糖开关是一种非编码RNA元件，通过响应代谢物的结合而经历动态构象变化来控制基因表达，核糖开关的应用导致了RNA组装由分离螺旋的稳定性决定的组织原理。我们还指出了单分子拉伸实验的局限性，分子延伸作为唯一可访问的参数，在提取RNA分子折叠景观的关键参数。
2012-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Functional analysis of the N-terminal basic motif of a eukaryotic satellite RNA virus capsid protein in replication and packaging
病毒颗粒的有效复制和组装对于感染的建立是不可或缺的。除了衣壳蛋白（CP）在使RNA子代衣壳化中的主要作用外，正义单链RNA病毒的实验证据表明CP也调节RNA合成。在这里，我们证明了卫星烟草花叶病毒（STMV）的复制是由STMV CP和辅助病毒（HV）烟草花叶病毒（TMV）复制酶之间的协同相互作用控制的。我们确定STMV CP-HV复制酶相互作用需要在N-末端13个氨基酸（aa）基序中的第三位置（3R）处的带正电荷的残基。远西北印迹表明，STMV CP促进HV-复制酶和STMV RNA之间的结合。在N-末端13 aa基序中的位置3处具有精氨酸至丙氨酸取代的STMV CP变体废除了复制酶-CP结合。CP的N-末端13 aa基序携带位于5、7、10和11位的带正电荷残基的丙氨酸取代，在包装全长STMV时是有缺陷的，但可以包装缺少3'末端150 nt区域的截短的STMV RNA。这些发现提供了深入了解STMV复制和包装的调节机制。
2016-12-26 physics.bio-ph q-bio.BM
A minimal representation of the self-assembly of virus capsids
病毒是生物纳米系统，具有蛋白质制成的衣壳单元的衣壳，其包围并保护负责其复制的遗传物质。在这里，我们展示了如何在二十面体衣壳的壳粒-壳粒相互作用的几何约束固定的形式的最短的和普遍的截断多极扩展壳粒之间的两体相互作用。许多二十面体和相关病毒衣壳的结构位于该势能面的单个最低能量状态。我们的方法揭示了衣壳的自然设计的相关特征，并且在纳米科学和纳米技术领域中类似的中空凸形结构是相关的。
2013-12-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Biophysical Modeling of SARS-CoV-2 Assembly: Genome Condensation and Budding
由严重急性呼吸道综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）引起的COVID-19大流行促使全球开展前所未有的协同研究，以遏制和根除这种病原体。SARS-CoV-2有四种结构蛋白：包膜（E）、膜（M）、核衣壳（N）和刺突（S），它们通过从细胞内脂质膜出芽而与其RNA一起自组装成感染性病毒。在本文中，我们开发了一个模型来探索RNA缩合的机制，通过结构蛋白，蛋白质寡聚化和细胞膜-蛋白质相互作用，控制出芽过程和最终的病毒结构。利用分子动力学模拟，我们已经破译了带正电荷的N蛋白如何相互作用并浓缩非常长的基因组RNA，从而导致其包装由宿主细胞内的结构蛋白修饰的脂质包膜。此外，考虑到RNA的长度和病毒的大小，我们发现，M蛋白的内在曲率是必不可少的病毒出芽。虽然目前大多数研究都集中在S蛋白，这是负责病毒的进入，它已被需要开发有效的疫苗的动机，通过在这个关键的蛋白质突变的耐药性的发展，使它有必要阐明病毒的生命周期的细节，以确定其他药物的目标，为未来的治疗。我们的模拟将通过重新组装病毒颗粒来深入了解病毒的生命周期，并可能为未来的药物开发确定治疗靶点。
2022-09-23 physics.bio-ph q-bio.BM
Stochastic Modeling and Simulation of Viral Evolution
RNA病毒包括大量密切相关但高度遗传多样性的实体，称为准种。了解这种极端多样性产生和维持的机制是在受感染宿主中接近病毒持久性和病理生物学的基础。本文通过基于多型分支过程理论的数学模型引入准种理论，以更好地理解病毒多样性、持久性和灭绝的机制。我们通过结合计算模拟和模型的理论分析来实现这种理解。为了进行模拟，我们已经将数学模型实现到能够运行模拟并以图形格式实时呈现结果的计算平台中。除其他外，我们表明，病毒种群的建立可能会显示四个不同的制度，从它引入新的主机，直到达到平衡或经历灭绝。此外，我们能够模拟不同的适应度分布，代表宿主内的不同环境，这些环境可能有利于或不利于病毒的成功。我们解决了最常用的机制来解释灭绝的RNA病毒种群称为致死突变和突变融化。我们能够证明这两种机制之间的对应关系，这意味着存在一个导致RNA病毒灭绝的统一原则。
2020-06-21 math.PR physics.bio-ph q-bio.PE
Fidelity of bacterial translation initiation: a stochastic kinetic model
在蛋白质合成的起始阶段，核糖体起始复合物（IC）在信使RNA（mRNA）模板上组装。在细菌中，这一组装过程的速度和准确性由三个基本起始因子（IF）的互补活性调节。真正的N-甲酰基甲硫氨酰转移RNA（fMet-tRNA \textsuperscript{fMet}）和典型的三重核苷酸mRNA起始密码子的选择是典型的核糖体70 S IC组装过程中的关键事件。由于延伸子tRNA或非规范起始密码子的异常选择而导致的错误起始是分别导致假70 S IC或非规范70 S IC组装的罕见事件。在这里，我们已经开发了一个理论模型的随机动力学的规范，伪，和非规范的70 S IC组装，其中包括所有的主要步骤的IC组装过程中，已观察到和表征的合奏动力学，单分子动力学，和结构研究的保真度的翻译起始。具体而言，我们使用的IC组装过程中的各个步骤的速率和首次通过时间的形式主义，以获得精确的分析表达式的概率分布的集合的规范，伪和非规范70 S IC。为了说明这种分析方法的力量，我们比较了理论预测的首次通过时间分布与相应的计算机模拟数据。我们还比较了完成这些组件所需的平均时间与实验估计。除了产生新的，可检验的假设，我们的理论模型也可以很容易地扩展为新的实验70 S IC组装数据变得可用，从而提供了一个通用的工具来解释这些数据和开发先进的模型的机制和调节翻译启动。
2018-02-06 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.SC
Size, shape, and flexibility of RNA structures
确定RNA分子的大小和柔性对于理解折叠结构中的包装性质以及阐明RNA与DNA或蛋白质之间的相互作用是重要的。使用蛋白质数据库中RNA结构的坐标，我们发现使用回转半径$R_G$测量的折叠RNA结构的大小遵循Flory标度定律，即$R_G =5.5 N^{1/3}$，其中N是核苷酸的数量。RNA分子的形状由非球面性$Δ$和形状$S$参数表征，所述形状参数使用惯性矩张量的特征值计算。从$Δ$的分布，我们发现，折叠的RNA结构的大部分是非球面和$S$值的分布表明，RNA分子是扁长的（$S>0$）。折叠结构的柔性由持久长度$l_p$表征。通过将距离分布函数$P(r)$拟合到蠕虫链模型中，提取了持续长度$l_p$。我们发现，$l_p\approx 1.5 N^{0.33}$是一种有效的抗肿瘤药物。$l_p$对$N$的依赖性意味着螺旋的平均长度应该随着RNA大小的增加而增加。我们还分析了核糖体（30 S、50 S和70 S）结构中的包装，包括$R_G$、$Δ$、$S$和$l_p$。与大多数RNA分子相比，70S和50S亚基更球形。50S的球形是由于存在异常大量的小螺旋（与30S亚基相比），这些小螺旋通过凸起和环缝合在一起。完整的70S核糖体和组成颗粒的形状的比较表明，折叠的单个分子可能发生在组装之前。
2006-09-23 physics.bio-ph q-bio.BM
The dynamics of viruslike capsid assembly and disassembly
豇豆褪绿斑驳病毒（CCMV）是一种广泛用于病毒复制研究的模型。一个主要的挑战在于区分外壳蛋白之间的相互作用和外壳蛋白和病毒RNA之间的组装和拆卸过程中的作用。在这里，我们报告的自发和可逆的大小转换的空衣壳的CCMV衣壳蛋白功能化与疏水弹性蛋白样多肽发生后的pH值跳变。我们监测浓度的T = 3和T = 1衣壳作为时间的函数，并表明从一个T数到另一个的转换的时间演变是不对称的：从T = 1到T = 3的转换是一个因素的10慢于T = 3到T = 1。我们解释我们的实验结果使用一个简单的模型，经典的成核理论应用于病毒衣壳，在其中我们占游离蛋白质浓度的变化，作为不同类型的壳组装和拆卸脱落或吸收单个蛋白质亚基。据我们所知，这是第一个研究证实，无论是组装和拆卸的viruslike壳可以解释通过经典的成核理论，再现定量结果从时间分辨实验。
2022-08-16 physics.bio-ph
