Role of interactions and correlations on collective dynamics of molecular motors along parallel filaments
被称为马达蛋白的细胞骨架马达是沿着几个平行的细胞骨架细丝驱动细胞运输并支持许多生物过程的分子。实验证据表明，它们在进行机械功的同时，与其细丝最近的分子相互作用。为了从理论上理解这一机制，本文提出了一种新的完全不对称的两通道简单排斥过程。针对现有的多通道系统分析方法偏离了通道间和通道内相互作用的影响，提出了一种新的多通道系统分析方法--修正的垂直聚类平均场方法。该方法与蒙特卡罗模拟一起成功地遇到了一些相关性，并计算了系统的所有复杂的动态特性。在三相点和粒子最大电流上观察到相互作用和通道间耦合的对称性的作用。令人惊讶的是，对于每个耦合率和大多数的相互作用分裂，有对应的最大电流属于弱排斥相互作用的情况下，最佳的相互作用强度。此外，对于固定的相互作用分裂，随着耦合率的增加，最佳强度降低，并趋向于实验预测。相关性被发现是短距离和较弱的排斥和弱吸引力的相互作用，而较强的吸引力，他们是长距离和更强。所有这些研究结果也讨论了实验观察的背景下。
2017-01-16 cond-mat.stat-mech
Correlations and Symmetry of Interactions Influence Collective Dynamics of Molecular Motors
酶分子积极支持许多细胞过程，包括运输，细胞分裂和细胞运动，被称为马达蛋白或分子马达。实验研究表明，他们相互影响，他们经常在大团体一起工作。为了理解马达蛋白集体行为的机制，我们研究了分子马达沿线状纤维运输中相互作用的影响。它是通过分析最近推出的一类完全不对称排斥过程，考虑到分子间的相互作用，通过物理上一致的方法。我们开发了一种新的理论方法，使我们能够计算分析系统的所有动态特性。我们的分析表明关联在相互作用的分子马达动力学中起着重要的作用。令人惊讶的是，我们发现排斥相互作用的相关性比吸引相互作用的相关性更弱，更短。此外，还发现相互作用的对称性对分子马达的动力学性质有一定的影响。这些研究结果对马达蛋白运输的影响进行了讨论。我们的理论预测进行了广泛的Monte Carlo计算机模拟测试。
2015-03-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Cooperation and competition in the collective drive by motor proteins: Mean active force, fluctuations, and self-load
本文研究马达蛋白集体驱动生物丝的动力学，通过解析与模拟揭示平均力与涨落规律，并发现马达蛋白竞争产生的自负载影响丝运动。
2023-05-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
From aggressive driving to molecular motor traffic
动力蛋白马达蛋白的步长最近的实验结果的启发，我们开发了一个元胞自动机模型的动力蛋白马达的细胞内交通纳入特殊功能的障碍依赖步长的个别电机。我们首先调查的侵略性驾驶模型（ADM），一个简单的元胞自动机为基础的车辆交通模型，其中一个独特的功能是，它允许一个自然的扩展，以捕捉动力蛋白汽车交通的基本特征的属性。我们首先计算几个集体属性的ADM，在周期性和开放的边界条件下，分析使用两种不同的平均场方法，以及通过进行计算机模拟。然后，我们扩展的ADM，将附着和分离的电机上的轨道，这是一个共同的特点，被统称为细胞骨架马达的一大类马达蛋白的可能性。的边界和散装动力学的附着和分离的电机的轨道的相互作用，产生了一个阶段，高和低密度相分离的稳定的畴壁共存。我们还比较和对比我们的结果与模型Parmeggiani等。等（Phys. Rev. Lett. { \bf 90}，086601（2003）），其可以被认为是用于称为驱动蛋白的运动蛋白的密切相关家族的运输的极小模型。最后，我们比较了动力蛋白和驱动蛋白马达的运输效率在一个范围内的模型参数的值。
2006-10-07 cond-mat.stat-mech
Theoretical Analysis of Dynamic Processes for Interacting Molecular Motors
生物运输是由酶分子的集体动力学支持的，这些酶分子被称为马达蛋白或分子马达。实验表明，马达蛋白通过短程电位局部相互作用。我们调查这些相互作用的基本作用，通过分析一类新的完全不对称的排斥过程，其中的相互作用占在一个philically一致的方式。结合各种平均场计算和计算机模拟的理论分析表明，分子马达的动力学性质强烈依赖于相互作用，并且相互作用的马达蛋白的相关性更强。令人惊讶的是，发现存在导致最大粒子通量的最佳相互作用强度（弱排斥）。也有人认为，分子马达运输是更敏感的吸引相互作用。这些结果的驱动蛋白马达蛋白的应用进行了讨论。
2014-01-24 cond-mat.stat-mech
Intra-cellular traffic: bio-molecular motors on filamentary tracks
分子马达是利用某种形式的输入能量进行机械功的大分子复合物。这些马达在其上运动的神经轨迹由蛋白质（例如，微管）或核酸（DNA或RNA）。通常，许多这样的发动机在同一轨道上同时移动，它们的集体性质与高速公路上的车辆交通有表面上的相似之处。我们开发的模型提供了“统一”的描述：在低密度极限下，一个模型捕获了单个电机的传输特性，而在更高的密度下，同一模型解释了相互作用电机的集体时空组织。通过与车辆交通的类比，我们引入了新的量来表征分子马达在其轨道上的时空组织的性质。我们展示了如何交通样的细胞内集体现象取决于相应的个别电机的机械化学。
2008-01-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Brownian motors: noisy transport far from equilibrium
研究了远离热平衡的空间周期系统中的输运现象。主要强调的是在所谓的布朗电机（棘轮），即耗散动力学的存在下的热噪声和一些原型扰动，驱动系统的平衡，而不引入先验的一个明显的偏见到一个或另一个方向的运动的定向运输。定向电流的出现（或不出现）的对称性条件，其反转后的某些参数的变化，和定量的理论预测特定的模型进行了审查，以及各种各样的实验实现和生物学应用，特别是分子马达的建模。扩展包括量子力学和集体效应，哈密顿棘轮，空间无序的影响和扩散输运。
2001-09-04 cond-mat.stat-mech
Stepping and crowding of molecular motors: statistical kinetics from an exclusion process perspective
马达酶是一种非凡的分子机器，它利用三磷酸核苷水解产生的能量来产生机械运动，通过构成其动力学循环的不同步骤来实现。这些大分子，现在研究与先进的实验技术，以揭示其分子机制和动力学循环的性质，涉及许多生物过程，从生物聚合（如RNA聚合酶和核糖体）到细胞内运输（马达蛋白，如驱动蛋白或动力蛋白）。虽然在理论和实验上对单个电机的动力学进行了很好的研究，但它们的步进周期对集体动力学的影响仍然不清楚。这一方向的进展将提高我们对天然细胞内介质中的运输过程的理解，在天然细胞内介质中，进行性运动酶可能在拥挤的条件下工作。因此，在这项工作中，我们扩展了目前的统计动力学分析，研究集体输运现象的汽车在格子气模型属于排斥过程类。通过数值模拟，我们展示了如何解释和使用在拥挤的条件下从单粒子轨迹计算的随机性。重要的是，我们还表明，时间波动和非泊松行为是内在相关的空间相关性和出现的大，但有限的，集群的共同移动的电机。我们的分析揭示的属性有重要的生物学意义上的集体运输特性的进行性马达酶在拥挤的条件下。
2014-05-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic kinetics of ribosomes: single motor properties and collective behavior
细胞中蛋白质分子的合成是由核糖体完成的。核糖体可以被认为是一个分子马达，它利用输入的化学能在信使RNA（mRNA）轨道上移动，该轨道也用作相应蛋白质聚合的模板。然而，向前运动的特征是移位和停顿的交替序列。使用一个定量模型，它捕获的机械化学循环的一个单独的核糖体，我们推导出一个{ \it精确}的分析表达式，其停留时间的分布在连续的位置上的mRNA轨道。平均停留时间的倒数满足"Michaelis-Menten类“方程，并且与具有无分支机械化学循环的分子马达的平均速度的通式一致。适当地推广这个公式，我们还推导出了核糖体的精确力-速度关系。通常许多核糖体同时在相同的mRNA轨道上移动，而每个核糖体合成相同蛋白质的拷贝。我们扩展了一个单一的核糖体的模型，将空间排斥不同的个人在同一个轨道上。我们绘制了这个模型的相图的核糖体交通在3维空间跨越实验可控参数。我们建议对我们的理论预测进行新的实验检验。
2009-07-12 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Collective dynamics on a two-lane asymmetrically coupled TASEP with mutually interactive Langmuir Kinetics
基于最近对微管丝上马达蛋白簇集的实验观察，我们研究了一个开放的系统，该系统由两个完全不对称的简单排斥过程组成，在不对称耦合条件下，通过朗缪尔动力学（LangmuirKinetics）在两个泳道中与周围环境相互作用.在修正的Langmuir动力学中，吸附和脱离速率取决于最近邻位点的构型。我们在连续平均场论的框架内分析了模型，并利用边界层分析得到了相图和密度分布。讨论了相互作用对两种不同情况下的附着和分离（LK）率的相图的影响。在对称LK动力学下，相图的拓扑结构与无相互作用时相似;而在反对称情形下，当吸引/排斥相互吸引达到某一临界值后，相图的性质发生了显著变化.此外，研究表明相互作用的类型会影响马达蛋白的动力学特性。通过广泛的蒙特卡罗模拟的理论研究结果进行检查。
2015-09-16 cond-mat.stat-mech
Lattice-gas model for active vesicle transport by molecular motors with opposite polarities
我们引入了一个多物种的格子气模型来研究马达蛋白驱动的细胞细丝上的集体货物运输。我们用这个模型来描述和分析集体运动的相互作用的囊泡货物进行相反方向的分子马达，移动在一个单一的生物丝。建立在一个完全不对称的排斥过程（TASEP）来表征相互作用的货物的运动，我们允许与环境，输入和输出的质量交换在细丝的边界，并专注于相互转换率的作用，以及它们如何影响净货物运输的方向性。我们量化的各种不同的竞争过程中的非平衡相图的影响。相互转化率的相互作用，允许通量反转和蒸发/沉积过程中引入定性的新功能的相图。我们观察制度的三相共存，相位重新进入的可能性和一个显着的灵活性，在不同的相边界如何转移，以响应控制参数的变化。该模型的移动稳态解允许货物囊泡的空间分布的不同可能性，范围从囊泡的均匀分布到极化分布，其特征在于不均匀性或{ \it冲击}。在这个模型的框架内，由于内部监管而导致的电流逆转自然出现。我们相信，这种极小模型将澄清集体囊泡运输的许多功能的理解，除了作为基础，为囊泡运输相关的各种{ \it在体内}的情况下，建立更精确的定量模型。
2010-09-09 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Microtubule Length-Regulation by Molecular Motors
微管的长度调节对于许多细胞过程是必不可少的。分子马达，如驱动蛋白8，沿着MT移动，也作为解聚酶，被称为MT动力学的关键球员。然而，长度控制的调节机制仍然难以捉摸。在这里，我们调查了一个随机模型占聚合动力学和电机诱导解聚之间的相互作用。我们确定MT长度和方差对速率常数和运动浓度的依赖性。此外，我们的分析揭示了集体现象如何导致一个定义明确的MT长度。
2012-04-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Intra-cellular transport of single-headed molecular motors KIF1A
受单头驱动蛋白KIF 1A实验的启发，我们建立了一个由相互作用的分子马达进行细胞内转运的模型。它不仅明确地捕捉到ATP水解的影响，而且还捕捉到驱动单个马达的棘轮机制。我们的模型占实验观察到的单分子性能在低密度极限，并预测一个相图，显示了水解和朗缪尔动力学的集体时空组织的电机的影响。最后，我们提供了在我们的{ \it in-vitro}实验中使用荧光标记的KIF 1A的域壁的存在的实验证据。
2005-09-07 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Force and Motion Generation of Molecular Motors: A Generic Description
我们回顾了生物马达蛋白质的性质，这些蛋白质沿着极性和周期性的线性细丝运动。这种发动机的操作的物理学可以通过耦合到化学反应的简单随机模型来描述。我们分析了力和运动产生的基本特征，并在两态模型的框架下讨论了单电机的一般性质。包含大量马达（如肌肉和鞭毛）的系统激发了在简单模型框架内对许多相互作用马达的研究。在这种情况下，集体效应可能导致新的行为类型，如动态不稳定的稳定状态和振荡运动。
1999-08-28 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio
Physics of Transport and Traffic Phenomena in Biology: from molecular motors and cells to organisms
几乎在生物系统的所有层面都可以观察到类似于动物的集体运动。分子马达蛋白，例如驱动蛋白和动力蛋白，它们是真核细胞中几乎所有细胞内运输的载体，有时会遇到交通堵塞，表现为生物体的疾病。类似地，在最近的实验中也观察到在脊椎动物的细胞外基质的胶原纤维上移动的胶原酶MMP-1的交通堵塞。社会性昆虫如蚂蚁和白蚁在小径上的类似昆虫的运动，也许在我们的日常生活中更为熟悉。在过去的几年里，实验，理论和计算研究导致了对这些现象中所涉及的一般或共同物理原理的更深入的理解。特别是，非平衡统计力学的一些方法，由爱因斯坦，朗之万和其他人在近一百年前开创，成为定量分析这些交通类集体现象模型的强大理论工具，因为这些系统本质上远离平衡。在这篇综述中，我们批判性地审视了我们的理解的现状，暴露了现有方法的局限性，提到了开放的挑战性问题，并推测了在这个跨学科领域，物理学不仅满足化学和生物学，而且（纳米）技术的研究可能的未来方向。
2007-02-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Steady-state dynamics of exclusion process with local reversible association of particles
许多生物学过程都由称为马达蛋白或分子马达的特殊分子支持，这些分子沿着线性蛋白质丝运输细胞货物，并且可以可逆地与它们的轨道相关联。受这些观察的刺激，我们开发了一个理论模型的集体动力学的生物分子马达，占当地协会/解离事件。在我们的方法中，仅通过排斥相互作用的粒子沿着晶格在优选方向上移动，而在远离边界的特定位置处允许可逆缔合。考虑结合/解离位点作为一个局部缺陷，非均匀系统近似为两个耦合的均匀子晶格。这使我们能够获得一个完整的描述系统中的静态动态。研究发现，稳态相的数目和性质强烈依赖于缔合和解离跃迁速率的值。微观参数来解释这些观察结果，以及生物学的影响，也进行了讨论。理论预测与大量的蒙特卡罗计算机模拟吻合得很好。
2021-03-16 cond-mat.stat-mech
Cooperative molecular motors moving back and forth
本文利用两态棘轮模型研究了极性随机交替的细胞骨架轨道上分子马达的双向协同运动。我们的模型基于先前提出的模型[Badoual等人，{ \em Proc. Natl. Acad. Sci. USA} { \bf 99}，6696（2002）]中的方法，并且此外，考虑了由于行走马达的联合作用而在细胞骨架轨道中产生的弹性张力所引起的协同效应。我们表明，无论是计算和分析，这种额外的协同效应导致的双向运动的特征反转时间显着减少，特别是在系统中有大量的电机。我们还发现，双向运动只发生在（几乎）a极轨道上，而即使是轻微的极轨道上的运动是单向的。我们认为，这些意见的起源是敏感的依赖于合作动力学之间的差异，通常工作在和反对瞬时运动方向的电机的数量。
2009-08-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Traffic phenomena in biology: from molecular motors to organisms
几乎在生物系统的所有层面都可以观察到类似于动物的集体运动。分子马达蛋白，例如驱动蛋白和动力蛋白，它们是真核细胞中几乎所有细胞内运输的载体，有时会遇到交通堵塞，表现为生物体的疾病。类似地，在最近的实验中也观察到在脊椎动物的细胞外基质的胶原纤维上移动的胶原酶MMP-1的交通堵塞。社会性昆虫如蚂蚁和白蚁在小径上的类似昆虫的运动，也许在我们的日常生活中更为熟悉。在过去的几年里，实验，理论和计算研究导致了对这些现象中所涉及的一般或共同物理原理的更深入的理解。特别是，非平衡统计力学的一些方法，由爱因斯坦、朗之万和其他人在近一百年前开创，后来成为定量分析这些类似交通的集体现象的模型的有力理论工具，因为这些系统本质上远离平衡。在这篇综述中，我们批判性地审视了我们的理解的现状，暴露了现有方法的局限性，提到了开放的挑战性问题，并推测了在这个跨学科领域，物理学不仅满足化学和生物学，而且（纳米）技术的研究可能的未来方向。
2008-01-16 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Tensegrity and Motor-Driven Effective Interactions in a Model Cytoskeleton
肌动球蛋白网络是细胞的主要结构成分。它们提供机械完整性，并允许真核细胞的动态重塑，自组织成发育所必需的多种模式。我们提供了一个理论框架来研究分子马达的局部力产生、网络连接和集体作用之间复杂的相互作用。该框架能够以统一的方式容纳规则和异质斑图形成、阻止粗化和宏观收缩。我们模拟肌动球蛋白系统作为一个机动化的猫的摇篮组成的交联网络的非线性弹性长丝进行空间反相关的电机踢电动（原纤维）交联。相图表明，可以逮捕相分离，这提供了一个自然的解释肌动球蛋白凝聚物的聚集和聚结。模拟研究证实了理论图片，相关电机踢驱动的非平衡多体系统可以表现得好像它是在一个有效的平衡，但修改的相互作用，占电机驱动的运动的相关性的积极结合的节点。在布朗动力学模拟的有效平衡和完全随机模拟中，都观察到了规则的星型图案。结果表明，大规模的收缩需要相关的踢。
2012-04-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Cooperative Transport of Brownian Particles
我们考虑有限大小的过阻尼布朗粒子的集体运动（例如，马达蛋白）在周期电位中。我们的模型的模拟已经揭示了一些新的合作传输现象，包括（i）的净电流的方向的反转，作为粒子密度的增加和（ii）一个非常强大的和复杂的依赖性的平均速度的大小和平均距离的粒子。
1998-09-21 cond-mat.stat-mech
Intra-cellular transport by single-headed kinesin KIF1A: effects of single-motor mechano-chemistry and steric interactions
在真核细胞中，许多马达蛋白可以在单个微管轨道上同时移动。这导致了有趣的集体现象，如干扰。最近，我们报道了（{ \it Phys. Rev. Lett. { \bf 95}，118101（2005）}）描述非常规（单头）驱动蛋白KIF 1A的运输的晶格气模型。在这里，我们推广这个模型，引入一个新的相互作用参数$c$，占一个有趣的机械化学过程中没有被认为是在任何早期的模型。我们已经能够从实验测得的量中提取模型的所有参数，除了$c$。与细胞内分子马达交通的早期模型相比，我们的模型为每个驱动蛋白分配不同的“化学”（或构象）状态，以解释马达的化学燃料ATP的水解。我们的模型使实验可检验的理论预测。我们确定的相图的模型在飞机跨越实验可控参数，即驱动蛋白和ATP的浓度。此外，使用分析方法和模拟来确定例如冲击的位置，对相分离状态进行了详细的研究。我们的理论预测与实验结果的比较，预计将阐明参数$c$捕获的机械化学过程的性质。
2007-02-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Collective cargo hauling by a bundle of parallel microtubules: bi-directional motion caused by load-dependent polymerization and depolymerization
微管（MT）是直径约25 nm的中空管。管的两端是不同的，并被指定为“正”和“负”端。出于集体推和拉施加的一束MT在活细胞中的染色体分离过程中，我们在这里开发了一个非常简化的理论模型的一束平行的动态MT。在束中的所有MT的正端被永久地附着到一个可移动的“墙”的设备，其详细的结构是没有明确地在我们的模型中处理。唯一的要求是该装置允许每个MT在正端聚合和解聚。尽管不存在外力和MT之间的直接横向相互作用，但附接到壁的聚合MT组产生对抗解聚MT组的载荷力，反之亦然;对抗组的载荷由该组的成员均等地分担。MT之间的这种间接相互作用产生了丰富多样的集体动力学的可能状态，我们已经确定了计算机模拟模型在不同的参数制度。由聚合动力学的负载依赖性引起的货物的双向运动是“原理证明”，即染色体在细胞分裂之前的双向运动不一定需要马达蛋白的主动参与。
2015-01-09 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
