Applying a Gaussian networking theory to model motor-driven transport along cytoskeletal filaments
本文利用高斯网络理论模拟细胞骨架纤维上的肌动蛋白驱动运输，通过动态网络框架分析均质和非均质网络中的运输特性。
2025-12-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
Duty-ratio of cooperative molecular motors
分子马达存在于人体的细胞中，具有许多不同的重要作用。这些微型机器沿着细丝轨道移动，并有能力将化学能转化为机械功，为细胞运动提供动力。不同类型的电机的特征在于不同的占空比，占空比是电机连接到其灯丝的时间的分数。在肌球蛋白II的情况下-一个非进行性的分子机器与低占空比-几个电机之间的协同性是必不可少的，以诱导沿其肌动蛋白丝轨道的运动。在这项工作中，我们使用统计力学工具来计算合作分子马达的占空比。该模型表明，非进程的电机协同工作的有效占空比低于单个电机的占空比。这种效应的起源是灯丝中产生的弹性张力，当电机从轨道上分离时，这种张力被释放。
2012-01-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Molecular motors stiffen non-affine semiflexible polymer networks
重构的丝状肌动蛋白网络与肌球蛋白马达蛋白形成活性凝胶，其中马达蛋白产生驱动网络远离平衡的力。这种运动活动也可以强烈影响网络弹性;实验表明，在体外网络与分子马达显着硬化。在这里，我们研究了电机产生的力对模拟的2D网络的无热刚性细丝力学的影响。我们将展示异质内部电机应力如何导致网络中的纤维弯曲模式所支配的硬化。电机被建模为力偶极子，导致肌肉样收缩。这些收缩“拉出”系统中的松弛弯曲模式，这引起向更硬的拉伸主导状态的交叉。通过这种机制，马达可以导致非线性网络响应，即使构成细丝本身是纯线性的。这些结果对活细胞的力学具有影响，并为具有可调机械性能的活性生物材料提出了新的设计原则。
2010-09-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Microscopic basis for pattern formation and anomalous transport in two-dimensional active gels
本文通过广泛模拟研究了二维活性凝胶中图案形成与反常输运的微观基础，发现高密度和缓慢持续运动的马达会引发反常静态与超扩散质量输运，并指出其源于马达与丝状体间的极性耦合产生的有效自驱动。
2010-11-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Persistence of activity in noisy motor-filament assemblies
在各种自然环境中，活跃的分子马达会使长而有弹性的细丝交联并变形。这种复合材料网络的整体宏观力学响应取决于底层组分的主动和被动特性之间的耦合以及复合材料不同部分之间的非局部相互作用。在一个简单的一维系统中，使用平均场模型，它已被证明，运动活动和有限的细丝可伸展性的组合产生的持久性长度尺度上的应变衰减。在这里，我们研究了一个类似的系统，在强噪声和适度的可扩展性的互补限制，使用布朗多粒子碰撞动力学为基础的数值模拟，其中包括电机动力学和本地细丝的可扩展性之间的耦合。虽然数值模型显示偏离平均场预测，由于存在强烈的主动噪声引起的个体运动活动的变化，几个定性特征仍然保留。具体地，对于固定的马达附着和分离速率，衰减长度由被动弹性与由附着的马达产生的主动剪切阻力的比率设定。我们的研究将被动热系统中持久性的概念推广到具有可测试预测的主动驱动系统。
2015-01-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Persistence of strain in motor-filament assemblies
交联的半柔性和柔性细丝在分子马达的作用下发生主动变形，它们存在于各种自然环境中，如有序的真核生物鞭毛和无序的细胞骨架。这些复合材料系统的变形由主动马达力驱动，并由被动细丝弹性和由于永久交联的结构约束抵抗。使用平均场论的一维有序系统，我们表明，电机活动和有限的长丝的可延伸性的组合产生一个特征的持久性长度尺度上的主动应变衰减。该衰减长度由马达响应于弱拉伸弹性、被动剪切阻力和马达组件的粘弹性性质的组合的能力来设定，并且将纯热细丝中的持久性的概念推广到主动系统。
2018-09-30 physics.bio-ph q-bio.SC
Supramolecular assemblies in active motor-filament systems: micelles, bilayers, and foams
本文建立马达-丝状体活性物质的微观模型并推导连续介质方程，揭示胶束、双层和泡沫的形成及分支与指状不稳定性机制。
2024-01-10 cond-mat.soft physics.bio-ph
Twirling motion of actin filaments in gliding assays with non-processive myosin motors
我们提出了一个模型研究的滑翔测定中，肌动蛋白丝移动的非进行性肌球蛋白马达。我们表明，即使动力蛋白的动力行程没有横向分量，细丝将围绕其轴旋转，同时在表面上移动。值得注意的是，这种旋转运动的旋向与肌动蛋白丝结构的旋向相反。这是因为滑动的肌动蛋白丝有“靶区”，在那里它的亚基指向表面，因此更容易被肌球蛋白头接近。每个肌球蛋白头在到达靶区中心之前比之后具有更高的结合概率，这导致左旋旋转。我们提出了一个随机模拟和近似的解析解。计算的旋转运动的节距取决于细丝速度（ATP浓度）。它在低速时达到约400 nm，并随着速度的增加而增加。
2009-06-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Non-equilibrium structure and dynamics in a microscopic model of thin film active gels
在ATP的存在下，分子马达产生主动力偶极子，驱动远离热力学平衡的蛋白质丝悬浮液，导致奇异动力学和斑图形成。微观建模可以帮助量化单个电机加细丝的组织和分子和超分子长度尺度上的动态之间的关系。在这里，我们提出了广泛的数值模拟的活性凝胶的马达和细丝被限制在两个无限的平行板之间的结果。热波动和排除体积之间的相互作用的细丝。电机运动，附件和分离，包括从丝端的差分分离率的速率的系统变化，揭示了一系列的非平衡行为。强烈的马达结合产生结构化的细丝聚集体，我们称之为星状体、束或层，其稳定性取决于马达速度和差异末端分离。通过一个简单的单纤维模型，可以捕捉到所观察到的结构对运动速率和纤维浓度的依赖性的总体特征。松散结合的聚集体表现出超扩散的质量传输，其中丝易位的尺度与滞后时间与非唯一的指数，取决于电机动力学。发现细丝速度作为电机速度和末端分离的函数的经验数据崩溃，表明相关参数空间的降维。最后，我们讨论了活性凝胶领域的微观建模的前景。
2014-02-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Mechanical properties of chiral actin filaments
本文提出了一种高度粗粒化的肌动蛋白纤维模型，用于研究手性在肌动蛋白力学和驱动动力学中的作用，通过模拟展示了螺旋纤维的集体行为。
2025-12-30 cond-mat.soft physics.bio-ph
Transport by molecular motors in the presence of static defects
本文从理论上研究了静态缺陷下分子马达沿细胞骨架丝的运输。单电机的运动被描述为沿着灯丝的有偏随机行走以及绑定到灯丝和从灯丝解绑定。三种基本类型的缺陷进行了区分，这不同于正常的灯丝网站，只有在一个电机的过渡概率。步进缺陷与减少的概率向前步骤和未绑定缺陷与增加的概率电机未绑定强烈降低的速度和运行长度的电机与缺陷密度增加。对于通过单个马达的运输，马达结合的概率降低的结合缺陷对运输性质具有相对小的影响。对于由马达队进行的货物运输，结合缺陷也改变了货物颗粒的有效解结合率，并且预计具有更强的影响。
2009-05-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Spindles and active vortices in a model of confined filament-motor mixtures
本文通过数值模拟受限离散细丝-马达蛋白模型，发现了纺锤体、星体和涡旋等结构的自发形成，揭示了压力、马达速度与密度对自组织状态的影响，并强调需进一步理解活性凝胶微观活动与宏观自组织间的联系。
2011-07-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Biophysics of filament length regulation by molecular motors
调节物理尺寸是生物有机体必须解决的一个基本问题，从亚细胞到有机体尺度，但人们还不清楚生物体使用什么物理原理和机制来感知和调节它们的尺寸。任何生物物理的大小调节方案都在嘈杂的环境中运行，并且必须对其他细胞动力学和波动具有鲁棒性。这项工作发展的细丝长度调节理论的灵感来自最近的实验驱动蛋白-8马达蛋白，移动方向的偏见微管细丝和改变微管动力学。纯化的驱动蛋白-8马达可以使化学稳定化的微管脱髓鞘。在长度依赖性解聚模型中，解聚速率倾向于随着细丝长度增加而增加，因为长细丝在其尖端积累更多马达，因此缩短得更快。当与恒定的长丝生长速率平衡时，这种机制可以导致固定的聚合物长度。然而，驱动蛋白-8马达影响细胞中动态微管长度的机制尚不清楚。我们研究了更生物现实的问题，微管动态不稳定性调制的电机依赖性增加的细丝灾难频率。这导致平均长丝长度的显著减小和长丝长度分布的变窄。这些结果提高了我们对细胞长度调节的生物物理学的理解。
2013-02-13 physics.bio-ph q-bio.SC
Crosstalk between non-processive myosin motors mediated by the actin filament elasticity
许多生物学过程涉及与细胞骨架相互作用的分子马达的作用。有些过程，如货物的运输，主要是通过单个电机的动作来实现的。其他的，如细胞运动和分裂，需要许多马达的协同工作。集体运动动力学可能相当复杂和出乎意料。一个很好的例子是纤维的双向（“来回”）运动，这是当一组内的马达向相反方向施加力时引起的。这篇评论解决了最近的实验工作中出现的难题，它已被证明，双向运动的特征反转时间实际上是独立的电机的数量。这一结果与现有的理论模型相矛盾，该模型预测反转时间随系统大小呈指数增长。我们认为，这个难题的解决方案可能是马达之间的串扰，这是介导的弹性拉伸应力，在细胞骨架轨道的发展。串扰并不直接与电机的连接和分离相关，电机的连接和分离彼此独立地工作。然而，通过使解脱率依赖于系统尺寸，它大大加速了它们的解脱。
2011-02-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Spontaneous Oscillations of Elastic Filaments Induced by Molecular Motors
从运动性测定中微管的波浪状运动可知，马达产生的皮牛顿力足以使细丝弯曲。在细胞现象中，如细胞飞溅流，分子马达沿着细胞骨架丝移位，携带携带液体的货物。当大量这样的强制细丝通过周围的液体相互作用时，如在$Drosophila~melanogaster$中卵母细胞发育的特定阶段，观察到复杂的动力学，但它们背后的详细机制仍然不清楚。受这些观察的启发，我们在这里研究这些现象的最简单的模型：一端固定的弹性细丝，由一个分子马达作为点力处理。因为力切向作用于细丝，不管它的形状如何，这个“跟随力”问题本质上是非变分的，因此从根本上不同于欧拉屈曲，在欧拉屈曲中，力具有固定的方向，并且在低雷诺数状态下，最终导致静止的能量最小化形状。通过结合线性稳定性理论，分析研究的一个可解的简化的“两个链接”模型，和数值研究的完整的弹性流体动力学运动方程，我们阐明的Hopf分叉，发生与强迫增加的细丝，导致扑动运动类似的高雷诺数振荡的花园软管与自由端。
2017-07-07 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Elasticity of a semiflexible filament with a discontinuous tension due to a cross-link or a molecular motor
我们分析了一个蠕虫状链的拉伸弹性与张力不连续的虎克弹簧连接其骨干到一个固定的点。孤立的半柔性细丝的弹性一直是大量文献的主题，主要是因为它与生物物质的力学有关。然而，在实际系统中，这些细丝通常是超分子结构的一部分，涉及交联剂或分子马达，导致张力不连续。我们的模型是作为一个最小的结构元素，将这种不连续性。我们得到的分析结果，在弱弯曲极限的细丝，关于其力的延伸关系和响应的两个部分，其中细丝被划分的弹簧。对于一个小的张力不连续性，长丝延伸的线性响应，这种不连续性强烈地依赖于外部张力。对于大的外部张力$f$，弹簧力对众所周知的端到端伸展的$\sim 1/\sqrt{f}$依赖性贡献次显性校正$\sim 1/f^{3/2}$。
2016-05-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
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
Random walks of molecular motors arising from diffusional encounters with immobilized filaments
分子马达在细胞骨架丝上的运动用直线上的定向行走来描述。允许从这条线上分离的概率很小。周围流体的运动可以用对称随机游动来描述。分离和再附着的影响计算的主方程在二维和三维的解析解。结果得到的分数绑定电机，他们的平均速度和位移。平行于细丝的扩散系数变得非常大，因为在束缚马达的定向运动的存在下，分离和随后的再附着导致密度分布的加宽。微管上原丝的出现是由结合位点的内部状态来模拟的。经过一段短暂的时间后，所有的原丝变得同样多。
2003-12-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Filament turnover is essential for continuous long range contractile flow in a model actomyosin cortex
在本文中，我们开发和分析了一个最小的模型，交联的肌动蛋白丝和肌球蛋白马达，代表真核细胞的皮质细胞骨架的2D网络。我们实现粗粒度的表示力生产肌球蛋白马达和应力消散通过一个有效的交联摩擦和细丝营业额。我们使用这个模型来表征如何持续生产的主动应力，和稳定的弹性应力耗散，分别取决于电机活动，有效的交联摩擦和长丝周转。然后，我们结合这些结果，深入了解微观网络参数如何控制运动活动的不对称分布所产生的稳态流。我们的研究结果提供了一个框架，了解如何局部调制收缩网络内的微观相互作用控制宏观量，如主动应力和有效粘度控制皮质变形和流动在细胞尺度。
2016-12-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Walks of molecular motors in two and three dimensions
与细胞骨架丝相互作用的分子马达经历由沿着丝的定向运动和在周围溶液中的扩散运动的交替序列组成的奇特的随机行走。一个合奏的电机进行了研究，与一个单一的灯丝在二维和三维的相互作用。的概率分布的时间演化的绑定和未绑定的电动机确定解析。平行于灯丝，马达的扩散强烈增强。解析表达式与蒙特卡罗模拟的结果吻合得很好。
2002-03-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Run-and-pause dynamics of cytoskeletal motor proteins
细胞骨架马达蛋白参与主要的细胞内转运过程，这对于维持适当的细胞功能至关重要。电机表现出不同的运动状态：沿细丝的主动运动，和有效的固定相，其中它从细丝分离，并在附近的分离点由于细胞质拥挤进行被动扩散。运动阶段和暂停阶段之间的转换率一般是不对称的，并且受到环境条件变化的很大影响，环境条件的变化会影响货物交付到特定目标的效率。通过考虑分子马达在单纤维上的运动以及动态纤维网络，我们提出了一个分析模型的自推进粒子的动力学经历频繁的暂停阶段。运动持续性，丝状网络的结构特性和运动的两种状态之间的过渡速率之间的相互作用急剧改变了动力学：不同类型的异常扩散动力学之间的多个过渡发生和交叉时间的渐近扩散或弹道运动变化了几个数量级。我们绘制出的过渡率的空间中的相图，并解决所产生的动力学运动的初始条件的作用。
2016-11-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Self-organization and shape change by active polarization in nematic droplets
细胞内发生的积极力量可以驱动涉及自发组织和形状变化的关键生物过程，如细胞分裂。最近在体外实验的细胞骨架丝和电机，自组织和分裂的微滴的动机，我们提出了一个最小的流体动力学模型，结合了非平衡动力学的电机丝的相互作用与平衡微相分离。马达在液滴内组织，并将细丝结构化成极化的星状缺陷。在大的运动活动中，它们甚至可以使液滴变形或分裂，或形成多星状液滴链。我们预测的相图概括了这些实验观察到的形状。
2021-02-15 cond-mat.soft physics.bio-ph
Boundary-bulk interplay of molecular motor traffic flow through a compartment
在晶格驱动的扩散系统的框架内模拟了马达蛋白质在中间轨道上的流动。电机，被认为是跳跃粒子，执行高度偏置的不对称排斥过程时，绑定到灯丝。它们以一定的速率从纤维上脱离，在封闭的立方腔体中进行无偏随机游动。马达从沿着隔室的对称轴线定位的灯丝的最左（最右）部位注入（提取）。我们探讨了该系统的输运性质，并研究了系统定态上的体边界相互作用。结果表明，剥离速率对系统性能有显著影响。特别是，与ASEP相反，研究表明，当脱离率变化时，束缚颗粒的密度分布表现出不同类型的非单调行为。结果表明，在某些情况下，密度分布的长丝由共存的高和低的区域。
2005-12-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Biased transport of elastic cytoskeletal filaments with alternating polarities by molecular motors
我们提出了一个简单的模型，肌动蛋白束的双向动力学与非进行性肌球蛋白电机的滑动检测交替极性。在该模型中，束被表示为一个弹性链的单体组成的正，负极性。束的运动是由下面的马达的拉力引起的，所述马达随机地附接到单体，并且根据单体的极性，在向右或向左的方向上拉动它们。我们证明了完全a-极性链由相同数量的单体组成的正负极性可以表现出有偏的双向运动与非零漂移。这种效应是由于肌球蛋白马达的作用而在链中产生的弹性张力。我们还表明，由于这种张力，附着的电机的概率大大降低，并成为强烈依赖于链的长度。这些令人惊讶的影响点的必要性，考虑弹性的细胞骨架在理论研究的合作动力学的分子马达。
2010-05-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Motor-Driven Bacterial Flagella and Buckling Instabilities
许多类型的细菌通过旋转一束螺旋状的细丝（也称为鞭毛）来游动。每根灯丝都由旋转电机驱动，一个非常灵活的钩子将电机扭矩传递到灯丝。我们通过离散基尔霍夫的弹性杆理论来建模，并开发了一种粗粒度的方法来驱动电机扭矩的螺旋灯丝。旋转的鞭毛产生推力，将细胞体向前推动，并随着马达扭矩的增加而增加。我们将旋转的鞭毛固定在空间中，并表明它在临界电机扭矩下的推力下旋转。屈曲成为可见的超临界霍普夫分叉的推力。第二屈曲转变发生在甚至更高的马达扭矩处。我们将鞭毛连接到球形细胞体上，并观察到运动过程中的第一次屈曲过渡。通过改变单元体的尺寸，我们改变所需的推力，从而获得临界推力和电机转矩之间的特征关系。我们提出了一个复杂的分析模型的基础上的螺旋杆的临界力-扭矩关系定量再现的屈曲过渡。电机扭矩，细胞体的大小，和螺旋丝的几何形状的真实值表明，屈曲应该发生在单个细菌鞭毛。我们还发现，沿驱动扭矩拉动鞭毛的方向是不稳定的，并评论海洋细菌的生物相关性。
2012-01-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.class-ph
Motor proteins traffic regulation by supply-demand balance of resources
在细胞和体外试验中，参与生物运输过程的马达蛋白的数量远非无限。细胞骨架结合位点与相同的有限马达储存器（细胞溶质或流动室）接触，因此竞争募集可用的马达，潜在地耗尽储存器并影响细胞骨架转运。在这项工作中，我们提供了一个理论框架来研究，分析和数值，如何电机密度分布和拥挤沿细胞骨架丝依赖于他们的结合位点的竞争电机。我们提出了两个模型，其中有限的进行性马达蛋白积极推进沿细胞骨架丝和不断交换的马达池。我们首先看均匀水库，然后检查周围介质中的自由电机扩散的影响。我们认为作为一个参考情况，最近在体外实验设置驱动蛋白-8电机绑定和移动沿微管细丝在流动室。我们研究如何拥挤的线性马达蛋白移动的细丝可以调节供应（马达蛋白在流动室的浓度）和需求（聚合的微管蛋白异二聚体的总数）之间的平衡。我们目前的分析结果的密度分布的绑定电机，水库枯竭，并提出新的相图，提出了形成的堵塞的电机蛋白的长丝作为两个可调的实验参数的函数：电机蛋白浓度和浓度的微管蛋白聚合成细胞骨架丝。大量的数值模拟证实了实验范围内的参数的分析结果，也解决了水库中的马达蛋白扩散的影响。
2014-09-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Motor crosslinking augments elasticity in active nematics
本研究结合实验和多尺度建模，揭示了马达和被动交联剂对丝的交联主导向列相弹性，马达速度与交联竞争导致流动非单调依赖，为活性材料设计提供新见解。
2023-08-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Bidirectional motion of filaments: Role of motor proteins and passive cross linkers
在真核细胞中，马达蛋白（MP）与细胞骨架丝结合并沿其定向运动，产生主动应激。在细胞分裂过程中，一种纺锤体结构的重叠反平行微管（MT）的形式，其稳定性和动力学的影响下的MPs已被广泛研究。尽管已知被动交联剂（PCL）为丝状网络提供结构稳定性，但MP的ATP依赖性主动力和PCL对MT重叠的被动熵力之间的相互作用的后果仍然在很大程度上未被探索。在这里，我们制定和表征的模型来研究这一点，使用线性稳定性分析和数值积分。在PCL的存在下，我们发现动态相变与变化的活动表现出制度的稳定部分重叠或没有振荡，不稳定的完全重叠，和稳定的极限环振荡，出现通过超临界Hopf分叉，其特征在于由MP和PCL参数确定的振荡频率。我们发现，重叠动力学和稳定性的关键取决于是否重叠对的两个MT是可移动的或一个是固定的，在体内和体外研究具有潜在的影响。
2017-06-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Towards the cellular-scale simulation of motor-driven cytoskeletal assemblies
细胞骨架--聚合物细丝、分子马达和交联剂的集合--是活性物质的基本例子，并且在细胞中组装成引导基本生物功能的细胞器。细胞骨架组装的模拟是模拟细胞过程和理解其惊人的材料特性的重要工具。在这里，我们提出了aLENS，一种新的计算框架，以克服传统的模拟方法的限制。我们的模型分子马达与交联动力学，坚持一个热力学能量景观，并整合系统动力学，同时有效地和稳定地执行之间的长丝-分子势的刚体排斥完全避免在施加空间约束。利用并行计算，我们模拟不同的混合物的几十万到几十万的细胞骨架丝和交联电机，重演自我涌现的现象，如束的形成和屈曲，并阐明如何电机类型，热波动，内应力，和限制决定的演变活性物质聚集体。
2022-06-09 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Coupling between switching regulation and torque generation in bacterial flagellar motor
细菌鞭毛马达在细菌的运动和趋化性中起着至关重要的作用。最近的实验表明，电动机的开关动态取决于电动机的转速，从而电动机的转矩，非单调。在这里，我们提出了一个统一的数学模型，模型电机转矩产生的基础上，实验转矩-速度曲线和转矩相关的开关的基础上的构象扩散模型。该模型成功地再现了所观察到的开关速率的旋转速度的函数，并提供了一个通用的物理解释独立的大多数细节。定子通过两种机制影响切换动态：加速各个转子切换单元的构造翻转速率，这有利于较慢的电机速度，从而增加扭矩;以及在单位时间内影响更多的切换单元，这有利于更快的速度。因此，切换速率在中间速度处显示出最大值。我们的模型预测，电机开关更经常与更多的定子。负载转换关系可以用作感测物理环境的机制，类似于感测化学环境的趋化性系统。它还可以协调细胞内马达的开关动力学。
2013-07-25 physics.bio-ph q-bio.SC
Bifurcations and nonlinear dynamics of the follower force model for active filaments
本文利用计算动力系统方法研究主动细丝随动力模型中的分岔，追踪时间周期分支并发现新的准周期状态，同时分析细长度的影响，从而全面刻画该模型的非线性动力学行为。
2024-06-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Role of turn-over in active stress generation in a filament network
我们研究了在被动交联剂连接的细丝网络中产生收缩应力的交联剂、马达和细丝的周转率的影响，并受到分子马达施加的力的影响。我们进行了数值模拟，长丝被视为刚性杆和分子马达移动速度快的交联剂交换的时间尺度相比。我们发现，分子马达产生的收缩应力超过临界交联剂的数量。当被动交联剂被允许翻转时，由于簇的形成，由网络施加的应力消失。当细丝和被动交联剂都翻转时，聚集被阻止，网络达到动态收缩稳态。最大应力达到长丝和交联剂周转率的最佳比率。
2016-05-04 physics.bio-ph
Beat regulation in twisted axonemes
纤毛和鞭毛是毛发状的细胞器，推动细胞通过液体。纤毛和鞭毛内的运动结构轴丝的主动运动由动力蛋白家族的分子马达提供动力。这些马达产生力和力矩，使轴丝内的微管对滑动和弯曲。为了产生规则的波形，动力蛋白的活动必须协调。据认为，协调是介导的应力，由于径向，横向或滑动变形，建立在移动轴丝。然而，哪一个特定的组成部分的压力调节电机产生观察到的鞭毛波形仍然是一个悬而未决的问题。为了解决这个问题，我们将轴丝描述为一个三维的纤维束，并描述其力学特性。我们表明，调节电机的径向和横向应力可以导致一个协调的鞭毛运动，只有在扭曲的存在。相比之下，通过剪应力的调节是可能的，而不需要扭转。我们计算紧急跳动模式扭曲轴丝由横向应力的调节。波形与衣原体鞭毛和精子中观察到的波形相似。由于扭曲，波形具有非平面分量，这导致游泳轨迹，如扭曲的带状物和螺旋线，与观测结果一致。
2015-11-24 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Computing the motor torque of Escherichia coli
细菌的旋转马达是一种天然的纳米技术奇迹，它通过在流体环境中为半刚性螺旋鞭毛丝的旋转提供动力来实现细胞运动。众所周知，电动机基本上在逆时针方向上以恒定扭矩运行，但过去的工作已经报道了该扭矩的大范围值。聚焦于游动的大肠杆菌细胞和粘在玻璃表面上的细胞，其中所有几何和环境参数都是已知的（Darnton等人，J. Bacteriology，2007，189，1756-1764），我们使用两种经验证的数值方法来计算与实验一致的电机扭矩值。具体来说，我们使用（和比较）的数值方法的基础上的边界积分表示的斯托克斯流，还开发了一种混合方法结合边界元和细长体理论来模拟细胞体和鞭毛丝，分别。使用测量的电机的旋转速度，我们的计算预测的电机扭矩的值在440 pNnm至829 pNnm的范围内，关键取决于鞭毛丝和附近的表面之间的距离。
2018-06-25 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Effect of curvature and normal forces on motor regulation of cilia
纤毛是真核生物中普遍存在的细胞器，参与真核生物的运动。它们是细胞体上长而细长的能动突起。它们经历活跃的规则振荡跳动模式，可以推动细胞，如藻类衣原体，通过液体。当许多纤毛同步跳动时，它们也可以沿着细胞表面推动液体，就像结节纤毛的情况一样。纤毛内部的主要结构元件是微管。还有动力蛋白家族的分子马达，它们积极地为纤毛的运动提供动力。这些马达将ATP形式的化学能转化为机械力，从而在微管之间产生滑动位移。这种滑动通过基部和/或沿纤毛长度的约束转换为弯曲。纤毛内的力和位移可以调节动力蛋白并提供反馈机制：动力蛋白产生力，使纤毛变形;变形反过来又调节动力蛋白。这种反馈被认为是动力蛋白在空间和时间上协调的起源，这是节拍模式的规律性的基础。目标和方法。虽然动力蛋白弯曲纤毛的机制已经被理解，但反馈机制还不清楚。两个关键问题是：哪些力和位移与调节节拍最相关？这种调节究竟是如何发生的？在这篇论文中，我们开发了一个框架来描述不同运动调节机制的纤毛的时空模式。将这些不同机制的预测形状和节拍模式与实验中观察到的进行表征和比较，为我们进一步了解动力蛋白是如何调节的提供了帮助。这种比较是用两种方法进行的，一种是可以解析求解的线性模型，另一种是我们用数值求解的非线性模型。
2019-05-10 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Actively crosslinked microtubule networks: mechanics, dynamics and filament sliding
细胞骨架网络是活性物质的基础实例，并且是细胞中自组织结构的中心。在体内，这些网络是活性的和高度交联的。将它们的大尺度动力学与其组分的性质联系起来仍然是一个未解决的问题。在这里，我们研究了由微管和XCTK 2驱动蛋白马达制成的体外系统，该系统形成对齐的活性凝胶。使用光漂白，我们证明了凝胶的对齐微管，由电机驱动，不断地滑动过去的速度独立于当地的极性。在纺锤体中也观察到这种现象，但仍无法解释。我们从微观角度出发，推导出一个由分子马达交联的粗粒化微管凝胶的一般框架。利用微管-微管耦合和驱动蛋白的力-速度关系，该理论自然地解释了实验结果：马达在极性变化的区域产生主动应变率，这使得相反极性的微管能够在不对材料施加应力的情况下相互滑过。
2018-12-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Broken Detailed Balance of Filament Dynamics in Active Networks
肌球蛋白马达蛋白驱动细胞肌动蛋白细胞骨架的剧烈稳态波动。内源性嵌入的半柔性细丝，如微管，或添加的细丝，如单壁碳纳米管被用作新的工具，以非侵入性地跟踪在这样的生物聚合物网络的平衡和非平衡波动。在这里，我们分析计算形状波动的半柔性探针细丝在粘弹性环境中，驱动电机活动的平衡。探针丝的横向弯曲起伏可以分解为动态简正模。我们发现，这些模式不再独立发展下的非平衡驱动。这种有效模式耦合导致构象相空间中的非零循环电流，反映了对细致平衡的破坏。我们提出的预测与这些电流相关的特征频率，并调查如何确定模式的相关性，我们发现嵌入在细胞骨架网络中的微管最近的实验是一致的运动活动的时间签名。
2016-06-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Strain Stiffening Induced by Molecular Motors in Active Crosslinked Biopolymer Networks
我们通过将分子马达建模为力偶极子，研究了具有柔顺和刚性交联的肌动蛋白网络的弹性响应。我们的有限元模拟表明，对于顺应性交联剂，如细丝蛋白A，网络可以被硬化两个数量级，而硬化实现与不顺应性的链接，如scruin是显着较小，通常是一个因素的两个，在最近的实验非常一致。我们表明，差异产生的事实，即电机能够拉伸的顺应性交联到最大可能的程度，这反过来又导致变形的长丝。随着施加的应变增加，细丝进一步变形，导致硬化的弹性响应。当交联不顺从时，由于马达引起的收缩力不会以显著的方式改变网络形态，因此仅观察到小的硬化。
2010-09-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Detachment of molecular motors under tangential loading
我们介绍了一个一般的框架来研究的持续合成能力的分子马达沿极丝移动，并讨论了平均花费的时间连接到丝作为一个函数的切向施加负载。我们对特定模型的研究表明，电机的附着时间随着ATP浓度的增加而减少，双头电机如驱动蛋白在强迫条件下失去了持续性，而持续性单头电机对切向强迫不太敏感。
2001-09-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Mixed molecular motor traffic on nucleic acid tracks: models of transcriptional interference and regulation of gene expression
RNA聚合酶（RNAP）是一种分子机器，它使用单链DNA（ssDNA）作为相应的模板聚合RNA分子（线性杂聚物）; RNA的单体序列由ssDNA模板上的单体序列决定。当聚合RNA时，RNAP在ssDNA模板上以特定的方向一步一步地行走。因此，RNAP也可以被认为是一个分子马达，它在DNA上行走的开始和停止位点标志着它转录成RNA的遗传信息的两端。两个重叠基因的转录干扰被认为调节它们的表达水平，即，通过一种对另一种的抑制作用，相应RNA合成的总速率。在这里，我们模拟这个过程作为一个混合的交通两组RNAP电机的特点是由两个不同的对开始和停止网站。每个基团聚合相同的RNA拷贝，而两个基团聚合的RNA是不同的。这些模型，这也可以被视为两个干扰完全不对称的简单的排斥过程，占所有模式的转录干扰，尽管他们的极端简单。平均场论和计算机模拟的组合，这些模型证明了开关样调节的两个干扰基因在两组RNAP电机的同向和反向交通的物理起源。
2015-02-25 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Motor regulation results in distal forces that bend partially disintegrated Chlamydomonas axonemes into circular arcs
纤毛和鞭毛的弯曲由动力蛋白马达蛋白产生的力驱动。这些力使轴丝（能动的细胞骨架结构）内相邻的微管对滑动。为了产生有规律的、自发的搏动模式，轴丝动力蛋白的活动必须在空间和时间上协调。一般认为，协调是由压力或张力介导的，压力或张力在运动的轴丝内积累，并以某种方式调节动力蛋白的活性。在实验轴丝进行温和的蛋白水解，我们观察到对的双峰相互关联，并形成几乎恒定曲率的弯曲。通过模拟一对细丝的静力学，我们发现马达的活动集中在双峰的远端。此外，我们表明，这种分布的电机活动符合模型中的曲率，或曲率引起的法向力，调节电机的活动。这些观察，加上我们的理论分析，提供了证据，动力蛋白的活动可以调节曲率或法向力，这可能，因此，在协调纤毛和鞭毛的跳动中发挥作用。
2014-04-08 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.SC
From spirals to flagellar beating: How pivot-like defects control semiflexible filament dynamics in motility assays
本研究通过模拟揭示rigor突变马达蛋白形成的内部枢轴缺陷作为边界条件，控制半柔性细丝在螺旋与鞭毛摆动间的转变，为细胞骨架调控提供新机制。
2025-09-26 physics.bio-ph
Active microphase separation in mixtures of microtubules and tip-accumulating molecular motors
微管和分子马达的混合物形成具有不同动力学行为的活性材料，这些行为根据其成分的分子性质而变化。我们绘制了微管和尖端累积驱动蛋白-4分子马达的非平衡相图。我们发现，驱动蛋白-4可以驱动全球收缩或顺从性样伸展动力学，这取决于微管和捆绑剂的浓度。我们还观察到一系列的空间异质非平衡相，包括有限大小的径向星，一维蠕虫状链，扩展的二维双层，和系统跨越三维活性泡沫。最后，我们描述了复杂的动力学途径，产生微相分离的结构和产生的内在挫折之间的取向顺序的丝状微管和尖端积累分子马达的位置顺序。我们的工作表明，在细胞骨架网络中的主动应力和阶段的形式不仅取决于单个电机和细丝的属性，但也取决于成分的浓度和空间排列。
2021-08-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Length regulation of microtubules by molecular motors: Exact solution and density profiles
在这项工作中，我们研究了微管（MT）模型，其长度是由进行性驱动蛋白马达的行动。我们处理的情况下，无限的持续合成能力，即在散装的粒子交换被忽略。精确的结果可以得到对应于MT的有限长度的模型参数。与粒子交换模型相比，我们发现MT的长度在此参数范围内呈指数分布。通过广泛的蒙特卡罗模拟和宏观方法分析了模型的剩余参数空间，其对应于不同的MT长度。对于不同的MT，我们发现一个复杂的结构的相图中的密度分布的形状。
2015-06-02 cond-mat.stat-mech nlin.CG physics.bio-ph
Effect of microtubule-associated protein tau in dynamics of single-headed motor proteins KIF1A
基于分子马达的细胞内转运及其调控对细胞的功能至关重要。细胞的丝状轨迹被大量的非运动微管相关蛋白（如tau）装饰。受驱动蛋白-tau相互作用的实验的启发[Dianjin等人，Science 319，1086（2008）]，我们开发了相互作用的单头马达蛋白KIF 1A的随机模型，该模型也考虑了马达蛋白和tau分子之间的相互作用。我们的模型重现实验观察和预测的结合时间和运行长度，这表明一个重要的作用，tau蛋白在调节驱动蛋白为基础的运输的tau蛋白的显着影响。
2013-02-11 physics.bio-ph q-bio.SC
Rapid local compression in active gels is caused by nonlinear network response
活细胞中的肌动蛋白细胞骨架与肌球蛋白马达蛋白一起产生直接或间接驱动基本细胞过程的力。细胞骨架的半柔性细丝可以对马达的集体作用作出非线性响应。在这里，我们调查力学和力的产生在一个模型肌动蛋白细胞骨架，在体外重建，通过观察嵌入的微米级探针颗粒的响应和波动。肌球蛋白微丝可以模拟为力偶极子，并引起周围交联肌动蛋白网络的变形。异常相关的探针波动表明，除了普通的线性剪切弹性（不可压缩）力偶极子的响应出现的网络的快速局部压缩的存在。压缩的异常传播可以归因于肌动蛋白丝对微观力的非线性响应，并且与马达产生的大规模凝胶硬化定量一致。
2019-12-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
A Python based automated tracking routine for myosin II filaments
研究细胞骨架网络中的运动蛋白动力学对物理学家和生物学家非常感兴趣，以了解单个运动的动力学和特性如何导致整体网络行为的协同效应和控制。在这里，我们报告了一种方法来检测和跟踪肌肉肌球蛋白II丝内的肌动蛋白网络拴支持脂质双层。基于肌球蛋白II细丝的特征形状，这种自动跟踪程序使我们能够随着时间的推移跟踪肌球蛋白II细丝的位置和方向，并根据对时间步长之间的位移和角度变化的分析，将其动态可靠地分类为扩散和进行性运动的片段。这种自动化的高通量方法将使科学家能够有效地分析不同条件下的电机动力学，并将获得比普通跟踪方法更详细的信息，而无需耗时的手动跟踪或生成记波图。
2020-01-27 physics.bio-ph q-bio.QM q-bio.SC
Bidirectional cooperative motion of myosin-II motors on actin tracks with randomly alternating polarities
许多分子马达的协同作用对于细胞运动和有丝分裂等动态过程是必不可少的。这种作用可以通过使用运动性测定来研究，其中跟踪细胞骨架丝在被马达蛋白质包被的表面上的运动。在以前的研究肌动蛋白-肌球蛋白II系统，观察到快速定向运动，反映了肌球蛋白II电机的趋势，单向传播沿肌动蛋白丝。在这里，我们提出了一个运动与肌动蛋白束组成的短丝状段随机交替极性测定。这些肌动蛋白轨迹表现出双向运动，在方向反转之间具有宏观上大的时间间隔（几秒的量级）。对这种双向运动的分析表明，特征反转时间$τ_{rev}$不依赖于运动束的大小或电机的数量$N$。这一观察结果与先前基于双态棘轮模型的理论计算相矛盾[Badoual等人，Proc. Natl. Acad. Sci. USA，vol.99，p.6696（2002）]，预测了$τ_{rev}$与$N$的指数增加。我们提出了一个修改后的版本，该模型考虑到弹性能量由于肌球蛋白II电机的肌动蛋白轨道的拉伸。新的模型产生了一个很好的定量协议与实验结果。
2009-03-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Single Molecule Studies Under Constant Force Using Model Based Robust Control Design
光镊通过对马达蛋白的研究，使人们对细胞内运输有了重要的了解，它们能够在微观尺度上操纵粒子，提供毫微微牛顿力分辨率。它用于实现恒力钳，使重要的洞察力在不同的负载条件下的运动蛋白的行为。然而，扰动的变化性质和热噪声的影响对力调节提出了关键挑战。此外，许多研究的主要目的往往是确定电机的运动和与运动相关的统计数据，这可能与力调节目标不一致。在这篇文章中，我们提出了一个混合目标H2-Hinfinity优化框架，使用基于模型的设计，实现了力调节和实时运动估计的双重目标，具有可量化的保证。在这里，我们最小化的Hinfinity范数的力调节和步骤估计的误差，同时保持H2范数的噪声在用户指定的范围内的步骤估计。我们通过广泛的模拟和实验实施证明了该框架的有效性，使用光学镊子设置与运动蛋白驱动蛋白的活样本;其中，获得了低于1皮牛顿的力的调节，误差低于10%，同时提供实时估计电机运动。
2017-09-22 math.OC physics.bio-ph
Active restructuring of cytoskeleton composites leads to increased mechanical stiffness, memory, and heterogeneity
复合细胞骨架包括半柔性肌动蛋白和刚性微管的相互作用网络，使用马达蛋白如肌球蛋白主动产生力和重构，以实现关键的机械过程，包括细胞运动和有丝分裂。然而，马达驱动的活动如何改变细胞骨架复合材料的力学仍然是一个开放的挑战。在这里，我们进行光镊微流变学肌动蛋白微管复合材料驱动的肌球蛋白II电机显示，电机活动增加了线性粘弹性和弹性存储的复合材料的主动重组紧密包装的细丝簇和束的网络。我们的非线性微流变学测量停止活动后几个小时进行的显示，电机收缩的结构是稳定的和强大的非线性强迫。非线性响应的独特特征包括增加的机械刚度、记忆和异质性，以及在电机驱动的重组之后抑制的细丝弯曲。我们的研究结果揭示了重要的新的光粘弹性和非平衡动力学之间的相互作用，在活性聚合物复合材料，如细胞骨架。
2022-05-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
Self-organized Beating and Swimming of Internally Driven Filaments
我们研究了一个简单的二维模型的内部产生的应力的弹性细丝的运动，并表明，波状传播形状，可以推动细丝可以诱导通过一个自组织的机制，通过动态不稳定性。由此产生的运动模式并不取决于微观机制的不稳定性，但只有丝刚度和流体动力学摩擦。我们的研究结果表明，简化的系统，仅由分子马达和细丝可能能够显示殴打运动和自我推进。
1998-10-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Generation of stable overlaps between antiparallel filaments
在细胞分裂过程中，姐妹染色单体被有丝分裂纺锤体分离，纺锤体是指状交叉的反平行极丝的双极组装体，称为微管。建立一个稳定的重叠区是必不可少的双极性的维护，但基本的机制知之甚少。使用基于粒子的随机模型，我们发现，电机和被动交联剂的相互作用可以鲁棒地产生反平行细丝之间的部分重叠。我们的分析表明，电机减少重叠的长度依赖性的方式，而被动交联剂增加它独立的长度。除了保持结构完整性之外，被动交联剂因此还可以具有用于尺寸调节的动态作用。
2015-03-26 physics.bio-ph q-bio.SC
Swimming of peritrichous bacteria is enabled by an elastohydrodynamic instability
周围有鞭毛的细菌，如大肠杆菌，通过使用专门的马达旋转多个螺旋丝来在流体中自我推进。每个马达的旋转被传递到一个称为钩的短而灵活的部分，该部分又将其传递到鞭毛丝，从而使整个细胞能够游泳。由于多个马达在空间上分布在生物体的身体上，人们会期望来自细丝的推进力相互推动，从而导致可以忽略的游泳。我们使用的计算和理论相结合，表明多鞭毛细菌的游泳是由弹性流体动力学弯曲不稳定性发生的钩更灵活的临界阈值。使用过去的测量钩弯曲刚度，我们展示了如何设计真正的细菌，使他们能够安全地在这方面的不稳定性，促进系统的游泳。
2018-06-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
