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
Length control of microtubules by depolymerizing motor proteins
在许多细胞内过程中，微管的长度分布由解聚马达蛋白控制。实验表明，在非特异性结合到微管表面之后，解聚剂通过扩散或定向行走被运输到微管尖端，然后在那里积累之后从尖端解聚微管。我们开发了一个定量模型来研究这种通用马达蛋白的解聚作用，以及它对微管长度分布的可能影响。我们表明，当马达蛋白质在溶液中的浓度超过一个临界值，达到一个稳定状态的长度分布是，在一般情况下，非单调的单峰。然而，对于高度进行性马达和大马达密度，这种分布实际上变成指数衰减。我们的研究结果表明，这种马达蛋白可能被细胞选择性地使用，以确保精确控制MT长度。该模型也被用来分析实验观察电机引起的解聚。
2008-07-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Application of the fluctuation theorem to motor proteins: from F1-ATPase to axonal cargo transport by kinesin and dynein
涨落定理是20世纪90年代非平衡态统计物理学中的一个代表性定理。与非平衡态中的熵产生有关，该定理已被用来从运动中的涨落估计马达蛋白质的驱动力。在这篇评论中，使用波动定理在实验中的马达蛋白质的生物学家，特别是那些谁研究机械生物学，其中力的测量是一个中心问题。首先介绍涨落定理在旋转马达蛋白F1-ATP酶旋转力矩测量中的应用。接下来，作为该应用的扩展，介绍了最近的试验，该试验估计了微管马达驱动蛋白和动力蛋白在体内货物运输过程中产生的力。阐明这种运输的物理机制是重要的，特别是对于神经元，其中货物运输的缺陷与神经元疾病密切相关。最后，对涨落定理作为神经科学领域的一项新技术的前景进行了讨论。
2018-07-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Biochemical pathways of forward/backward steps of motor protein kinesin-1
Kinesin-1是一种由ATP驱动的双头马达蛋白，在细胞内沿微管转运物质。基于最近的实验观察，我们制定了一个机械化学模型，其中向前/向后/无效循环的驱动蛋白-1可以通过多个生化途径实现。我们的研究结果表明，正向循环和无效循环都由两条生化途径组成，而反向循环可能通过六条可能的途径实现。驱动蛋白-1在半分离状态下的后向运动主要是沿着微管向后滑动，通常伴随ATP水解。在低外负荷下，约80%的ATP被驱动蛋白1浪费掉，且这一比例几乎与ATP浓度无关。在高ATP浓度或高外负荷下，驱动蛋白的两端始终处于ATP或ADP $\cdot$ Pi结合状态，与微管紧密结合。而在低ATP浓度和低负荷时，驱动蛋白主要处于单头结合状态。与平均运行长度相反，驱动蛋白1沿微管的平均运行时间随着ATP浓度的增加而减少。除非外部载荷接近失速力，否则驱动蛋白-1的运动几乎是确定性的，而不是像通常的Browian棘轮模型所预测的那样。
2021-12-29 physics.bio-ph
Rotation-Beating dynamics of a driven flexible filament: role of motor protein properties
本研究利用数值模拟探讨了马达蛋白特性对驱动柔性丝动力学行为的控制，发现系统存在涨落、旋转和拍打三种状态，并揭示了状态转变的力学条件与机制。
2024-09-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
A Master equation approach to modeling an artificial protein motor
线性生物分子马达通过协调几个不同的过程（例如燃料（ATP）捕获、水解、构象变化、从轨道结合和解结合以及质心扩散）沿轨道单向移动。更好地理解这些过程之间的相互依赖性，这些过程发生在广泛的不同时间尺度上，将有助于阐明分子马达的一般操作原理。人工分子马达为这样的研究提供了一个独特的机会，因为马达的结构和功能是先验已知的。在这里，我们描述了使用主方程的方法，结合从Langevin和分子动力学建模输入，随机模型的分子马达在许多时间尺度。我们将这种方法应用于一个特定的概念，人工蛋白质马达，风滚草。
2010-04-07 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
Miniature work-to-work converter engine powered by motor protein
Savitribai Phule Pune University（萨维特里拜·普莱浦那大学）；Indian Institute of Science Education and Research, Bhopal（印度科学教育研究所博帕尔分校）；Indian Institute of Science Education and Research, Pune（印度科学教育研究所浦那分校）；University of Calcutta（加尔各答大学）；University of Hyderabad（海得拉巴大学）
本文提出了一种基于马达蛋白的微型工作-工作转换发动机，通过状态依赖反馈协议实现高功输出，超越现有微尺度引擎性能。
2025-12-03 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Exact solution of a linear molecular motor model driven by two-step fluctuations and subject to protein friction
基于蛋白质摩擦力的概念，研究了线性分子马达模型的随机运动方程。求解最初由Mogilner等人（A. Mogilner等人，Phys. Lett. { \bf 237}，297（1998）），并平均两步内部构象波动和热噪声，我们提出了明确的，分析表达式的平均运动和速度-力的关系。我们的研究结果可以直接解释这个电机模型的细节，这是不容易从数值解。特别是，我们发现，该模型是能够预测生理上合理的值的无负荷运动速度和运动的流动性。
2003-12-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Navigation strategies of motor proteins on decorated tracks
马达蛋白在微管轨道上移动时显示出广泛不同的步进模式，从蛋白驱动蛋白执行的确定性线性或螺旋运动到动力蛋白执行的不协调随机步骤。这些不同的策略如何产生一个有效的导航系统，以确保正确的细胞功能仍然不清楚。在这里，我们通过数值模拟表明，确定性和随机电机步骤产生不同的结果时，随机障碍物装饰的微管轨道：驱动蛋白移动速度更快的干净的轨道，但其运动受到强烈阻碍装饰的轨道，而动力蛋白是干净的轨道，但更有效地避免障碍物。进一步的模拟表明，动力蛋白在装饰轨道上的优势是由于它的后退能力。我们的研究结果解释了不同的导航策略是如何采用的细胞，以优化电机驱动的货物运输。
2015-09-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Dual antagonistic role of motor proteins in fluidizing active networks
细胞使用相同的分子构建块完成不同的功能，从建立细胞质流到产生机械力。特别地，这些非平衡态之间的转换是通过调节细胞骨架蛋白的表达和活性来触发的。然而，这些蛋白质如何设置细胞骨架的大尺度力学和驱动这种非平衡相变仍然知之甚少。在这里，我们表明，一个最小的网络的生物聚合物，分子马达，和交联剂表现出两个不同的新兴行为取决于它的组成，自发流动像一个活跃的流体，或屈曲像一个活跃的固体。分子马达发挥双重拮抗作用，根据ATP浓度使网络流化或硬化。通过结合实验、连续介质理论和化学动力学，我们确定了如何通过设定每种组分的浓度来组装具有目标活性和弹性的材料。主动和弹性应力可以通过光诱导的运动活动脉冲进一步原位操纵，控制固体到流体的转变。这些结果突出了细胞骨架应力如何调节生命物质的自组织，并为活性物质的合理设计和控制奠定了基础。
2021-12-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
How occasional backstepping can speed up a processive motor protein
在ATP水解的推动下，运动蛋白驱动蛋白实际上是用两条腿沿着生物聚合物微管行走。考虑到ATP水解所提供的自由能，驱动蛋白所采取的意外后退的数量似乎比人们所预期的要大得多。这是令人困惑的，因为超过10亿年的自然选择应该优化了马达蛋白的速度和效率。但越往后推，就越能产生更多的熵。这种熵的产生将使自由能可用。有了这个额外的自由能，驱动蛋白的催化循环可以加速。我们将展示如何测量的后退百分比代表一个最佳的最大净前进速度。
2008-04-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Scale dependence of mechanics and dynamics of active gels with increasing motor concentration
细胞骨架蛋白肌动蛋白组装成大束时，支持在细胞中的压力，但成长为一个精细的分支网络，以诱导细胞运动。这样的自组织过程中研究的人工网络的细胞骨架蛋白与厚肌动蛋白束和大马达蛋白聚集体，使光学观察。在这里研究了由小得多的电机组件组成的网络中的电机聚集体的大小对细胞骨架力学性能的影响。已知大的马达蛋白簇通过引入张力和额外的交联位点来增加基于肌动蛋白的网络的刚度。我们发现，这些影响是普遍的肌动蛋白凝胶，无论肌动蛋白束的厚度和电机聚集体的大小和相关的，因此，以广泛的细胞骨架为基础的细胞过程。相比之下，电机引起的主动波动显着依赖于电机组件的大小，具有独特的非高斯统计在高浓度的小组件。
2018-06-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Phenomenological analysis of ATP dependence of motor protein
在这项研究中，通过进行性运动蛋白，包括传统的驱动蛋白，细胞质动力蛋白和肌球蛋白V的速度-力数据的现象学比较，我们发现，两个不同的ATP浓度的运动速度之间的比率几乎是不变的任何亚失速，超失速或负的外部负载。因此，马达的速度可以很好地近似为Michaelis-Menten式$V=\atp k(F)L/(\atp +K_M)$，其中$L$为步长，而$k(F)$为饱和ATP溶液中马达运动的一个机械化学循环的依赖于外部负荷的速率，该速率与$F$有关。亚失速、超失速和负外载荷下的Michaelis-Menten常数$K_M$的差异表明，尽管$k(F)$作为$F$的函数的表达可能对于任何外载荷$F$都是不变的，但这三种情况下发动机头部的ATP分子亲和力不同。通过拟合最近的实验数据，验证了这类Michaelis-Menten公式。
2011-08-09 math-ph math.MP physics.bio-ph
Stabilization of overlapping biofilaments by passive crosslinkers
细胞骨架丝网络的形成、维持和重组对于许多细胞过程是必不可少的。虽然由马达蛋白产生的主动力所起的关键作用已被广泛研究，但直到最近才意识到由非酶交联剂施加的被动力的重要性。主动蛋白和被动蛋白之间的相互作用表现为自身，例如，在细胞分裂期间，由重叠微管形成的纺锤体结构受到由交联马达蛋白产生的主动滑动力和由被动交联剂（如Ase1和PRC1）施加的被动力。我们提出了一个极小模型来描述一对反平行的重叠微管的稳定性行为，导致主动马达和被动交联剂之间的竞争。我们得到的稳定图，其特征在于形成稳定的重叠的MT对，确定控制生物参数，确定其稳定性，并研究电机和被动交联剂之间的相互作用对这些重叠丝的稳定性的影响。
2018-08-28 physics.bio-ph
Traffic of single-headed motor proteins KIF1A: effects of lane changing
KIF 1A驱动蛋白是单头马达蛋白，其在称为微管（MT）的圆柱形纳米管上移动。一个正常的MT由13个原丝组成，其上等间距的运动结合位点形成周期性阵列。因此，MT上驱动蛋白的集体运动类似于多车道高速公路上的车辆交通，其中每个原丝是单车道的模拟物。换道是否增加或减少每车道的电动机流量？我们通过适当扩展最近的模型[{ \it Phys. Rev. E { \bf 75}，041905（2007）}]来解决这个基本问题。通过对这个扩展模型进行分析计算和计算机模拟，我们预测，每车道的流量可以增加或减少与车道变化的速度增加，这取决于马达的浓度和ATP的水解率，“燃料”分子。原则上，我们的预测可以通过用荧光标记的KIF 1A分子进行{ \it in-vitro}实验来检验。
2008-04-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
A Stochastic Markov Model for Coordinated Molecular Motors
许多细胞功能是通过细胞内大分子沿纤维的转运机制来实现的。分子马达如动力蛋白或驱动蛋白是在这些过程中起主要作用的蛋白质。当只有一个蛋白质移动货物颗粒时，这种蛋白质的行为就很好理解了。事实上，已经进行了大量的体外实验来推导单个分子马达的精确模型。然而，体内大分子通常由多个马达携带。本文的主要重点是提供一个分析的行为更多的分子马达相互作用在一起，以提高他们的实际生理行为的理解。先前的研究提供了基于从蒙特卡罗模拟获得的结果的分析。与这些研究不同的是，我们推导出了一个等价的概率模型来描述多个蛋白质偶联在一起的动力学行为，并提供了精确的理论分析。我们能够获得马达蛋白构型的概率密度函数，从而能够更深入地了解它们的行为。
2010-12-19 nlin.CD physics.bio-ph q-bio.SC
Stall force of a cargo driven by N interacting motor proteins
我们研究了一个通用的一维模型，由N马达蛋白驱动的细胞内货物对外部施加的力。该模型包括电机货物和电机电机的相互作用。货物运动由过阻尼朗之万方程描述，而电机动力学由跳跃率指定，该跳跃率遵循相对于每个跳跃事件能量变化的局部细致平衡条件。基于这个模型，我们表明，失速力，平均外力对应于零平均货物速度，是完全独立的相互作用的细节，因此，总是等于单个电机的失速力的总和。这个精确的结果是基于一个简单的假设得出的：货物失速的（宏观）状态类似于热力学平衡状态，其特征在于任何两个微观状态之间的净概率流为零，后者由相对于货物的电机位置指定。并确定了失速状态下微态的概率分布。这些预测是在完全一致的数值模拟，使用特定形式的相互作用势进行。
2017-02-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Morphological and dynamical properties of semiflexible filaments driven by molecular motors
我们考虑一个明确的模型的半柔性丝运动在两个维度上的滑行测定马达蛋白质，附着到和脱离丝段随机，脱离率取决于当地的负载经历。附着的马达蛋白沿着细丝移动到它的一端，其速度随着马达蛋白的延伸而非线性地变化。作用在灯丝上的合力使它失去平衡。从平衡的距离反映在端到端的分布，改性的弯曲刚度，和过渡到螺旋形态的聚合物。活动的局部应力依赖性导致质心的速度和方向的相关波动，从而导致其动力学中的一系列弹道扩散交叉。
2019-05-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Stochastic modelling of collective motor protein transport through a crossing of microtubules
真核细胞中的细胞骨架起着几个至关重要的作用。在细胞内运输方面，马达蛋白使用细胞骨架丝作为骨架，它们可以沿着骨架主动运输生物货物，例如携带生化反应物的囊泡。这些细丝之间的交叉是一个关键因素，因为它们可能改变这种有效载荷的目的地。虽然已知马达蛋白在这样的交叉点上表现出丰富的行为，但后者迄今为止仅被建模为简单的分支点。在这里，我们探讨了一个模型，两个微管之间的交叉保留的个人轨道组成的原丝，我们构建了一个示意图表示的运输路径。我们研究集体运输例示的完全不对称的简单排斥过程（TASEP），并提供了一个全面的分析的运输功能和相关的相图，通过一个通用的平均场的方法，我们确认通过基于粒子的随机模拟。特别是，我们表明，通过这样一个复合交叉运输不能近似从一个简单的分支点粗粒度的结构。相反，它产生了全新的和违反直觉的特征：交通流的基本电流密度关系不再是单值函数，而且根据它是在交叉口的上游还是下游观察到的而有所不同。我们认为，这些新的功能可能是直接相关的解释实验测量。
2020-06-18 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
Cargo transportation by two species of motor protein
本文讨论了两种具有不同内在方向性的马达蛋白在活细胞中转运货物的运动。类似于单个马达运动，货物沿着微管随机向前和向后移动。最近的实验发现，两种运动物种的货物运输具有记忆性，它不会像预期的那样频繁地改变方向，这意味着它的前进和后退的速度取决于它以前的运动轨迹。假设货物只有最小的记忆，即其前进方向只取决于其最后一步的方向，本文详细分析了两种情况下的货物运动：{ \bf（I）}货物在恒定外载荷下的运动和{ \bf（II）}货物在一个固定光阱中的运动。由于记忆的存在，对于第一种情况，货物可以保持长距离的同一方向移动。对于第二种情况，货物将在陷阱中振荡。振荡周期和振荡幅度均随电机正向步进率的增大而减小，但均随陷阱刚度的增大而减小。货物的最可能的位置，找到振荡货物的概率是最大的，可能是相同的，也可能是不同的陷阱中心，这取决于两个电机种类的步进率。同时，如果电动机是鲁棒的，即它们的前向与后向步进率比高，则可能存在两个这样的最可能的位置，分别位于陷阱中心的两侧。分析了在给定位置发现货物的概率、货物处于前/后运动状态的概率以及货物到达给定位置或给定状态的各种平均首次通过时间。
2012-11-06 physics.bio-ph q-bio.SC
Transport of organelles by elastically coupled motor proteins
马达驱动的货物运输是一种复杂的现象，其中附着在货物上的多个马达蛋白参与拉动活动，通常导致拔河，显示双向运动。然而，大多数数学和计算模型忽略了汽车-货物相互作用的细节。在这里，我们研究了一个通用的模型，其中N个电机弹性耦合到货物，这本身是受到热噪声在细胞质和一个额外的外部施加的力。选择马达跳跃速率以满足相对于弹性拉伸能量的细致平衡。在这些假设下，构造了一个（N+1）变量的主方程的动力学的汽车货物复杂。通过扩展的跳跃率在电机位置的波动线性顺序，我们得到一个线性的福克-普朗克方程。分离出了控制平均量的确定性方程，得到了货物的平均速度和扩散系数的显式解析表达式。我们还研究了单个电机所经历的力的统计特征，并定量地描述了货物绑定电机之间的负载分配。平均货物速度和有效扩散系数被发现是刚度的递减函数。而增加的数量的电机N并没有增加的速度显着，它降低了有效的扩散系数，其下降为1/N渐近。我们进一步表明，货物绑定电机共享的力施加在货物上相等，只有在极限的消失弹性刚度;随着刚度的增加，从相等的负载分配的偏差进行观察。数值模拟与我们的分析结果符合预期。有趣的是，我们在模拟中发现，失速力的货物弹性耦合到电机是独立的刚度。
2016-06-17 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
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
A Design of an Autonomous Molecule Loading/Transporting/Unloading System Using DNA Hybridization and Biomolecular Linear Motors
本文介绍了一种分子通信中分子传播系统的设计。分子通信是一种新的通信模式，其中生物和人工创建的纳米机器使用分子在短距离内进行通信。分子通信中的分子传播系统定向地将分子从发送器传输到接收器。在本文所描述的设计中，蛋白质细丝沿着预先配置的微光刻轨道在固定的马达蛋白上滑动，滑动的蛋白质细丝携带并将分子从发送者运送到接收者。在设计中，DNA杂交用于在发送器和接收器处将分子装载到载体上和从载体上卸载分子。在设计中，装载/运输/卸载过程是自主的，不需要外部控制。
2007-08-14 physics.bio-ph q-bio.MN
Models of topological barriers and molecular motors of bacterial DNA
本文通过粗粒化模型和布朗动力学模拟，研究细菌DNA中拓扑屏障与分子马达如何影响超螺旋、接触图及螺线管动态，为理解细菌染色体组织提供理论支持。
2025-10-07 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
Microtubule length dependence of motor traffic in cells
在活细胞中，运动蛋白，如驱动蛋白和动力蛋白，可以沿着微管（MT）运动，也可以与微管分离或附着。实验发现，机动车的交通可能会堵塞，并设计了各种理论模型来理解这种交通堵塞现象。但以往的研究主要集中在运动附着/脱离率依赖性方面。Leduc { \it et al.}的最新实验发现运动蛋白驱动蛋白的交通堵塞形成也取决于MT的长度[Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. { \bf 109}，6100-6105（2012）]。在这项研究中，MT长度依赖于机动车交通的属性进行了分析。我们发现MT长度有一个{ \it临界值} $N_c$，只有当MT长度为$N>N_c$时才发生交通阻塞。MT的阻塞长度随MT总长度的增加而增加，而非阻塞MT长度可能不随MT总长度单调变化。临界值$N_c$随着运动从MT的脱离率而增加，但随着运动到MT的附着率而减小。
2012-05-18 physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic kinetics of a single headed motor protein: dwell time distribution of KIF1A
KIF 1A是一种进行性的单头驱动蛋白超家族马达，它水解三磷酸腺苷（ATP），使其沿着微管的丝状轨道运动。KIF 1A在轨道上的随机运动的特征在于间歇和移位的交替序列。暂停和随后移位的持续时间的总和定义了停留时间。使用NOSC模型（Nishinari et.等人，PRL，{ \bf 95}，118101（2005）），我们系统地推导出停留时间分布的解析表达式。更详细的信息包含在两个连续步骤之间的“条件停留时间”$τ_{\pm\pm}$的概率密度中，每个步骤可以是前向（+）或后向（-）。我们计算这四个条件停留时间的概率密度$Ξ_{\pm\pm}$。然而，为了便于与实验数据进行比较，我们还提出了两个分布$Ξ_{\pm}^{*}$的时间停留前的一个前进（+）和一个倒退（-）步骤。原则上，我们的理论预测可以通过进行具有足够时空分辨率的单分子实验来测试。
2011-03-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Large-scale chirality in an active layer of microtubules and kinesin motor proteins
在生物体早期发育过程中，左右侧化的形成需要一个微妙的机制，因为它与其他主体轴有关。卵细胞中任何固有的手性特征原则上都能触发这种手征对称性的自发破缺。单个微管，主要的细胞骨架丝，被称为手性对象。然而，到目前为止，还没有令人信服的证据表明微管的分子性质与大尺度手性之间存在层次性联系，特别是在整个细胞的长度尺度上。在这里，我们组装一个体外活性层，由微管和驱动蛋白马达蛋白，在玻璃表面上。在包含甲基纤维素，层状系统表现出一个远程的活动的双相，其特征在于由滑动MT的全球对齐。这一阶跨越整个系统的大小在毫米范围内，值得注意的是，允许隐藏的集体手性出现逆时针全球旋转的积极MT层。我们的理论模型的基础上的分析表明，新兴的全球性的微生物学秩序的结果从本地对齐的MT，稳定的甲基纤维素。这也表明，全球旋转来自于MT的内在曲率，导致优先的手性。鉴于其灵活性，这种分层的体外细胞骨架系统使研究膜蛋白的行为负责重要的细胞发育过程。
2018-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Forced desorption of semiflexible polymers, adsorbed and driven by molecular motors
我们制定和表征的模型来描述半柔性聚合物的动力学活动的存在下，由于电机蛋白附着不可逆的基板，和横向拉力作用在一端的细丝。马达蛋白的随机结合-解结合及其沿聚合物移动的能力产生主动力。当拉力达到阈值时，聚合物最终从基底上解吸。进行分子动力学模拟的聚合物中存在的朗之万热浴，和随机电机活动，我们得到的解吸相图。解吸馏分的波动的相关时间增加，接近完全解吸，定量捕获的幂律谱密度。我们目前的相图的理论分析，使用平均场近似在弱弯曲极限的聚合物和进行线性稳定性分析。这预测的解吸力与聚合物的抗弯刚度，主动速度和马达蛋白的持续合成能力的增加，以捕捉模拟结果的主要特征。
2015-10-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modelling cargo transport in crowded environments: effect of motor association to cargos
本文建立货物动力学模型研究拥挤环境中马达与货物结合的影响，发现结合与拥挤的竞争效应导致运行长度随自由马达密度出现峰值，该特征由转移矩阵的最大特征值决定，且与实验观察一致。
2023-07-03 physics.bio-ph q-bio.SC
Perfect anomalous transport of subdiffusive cargos by molecular motors in viscoelastic cytosol
多项实验表明，各种亚微米颗粒，如磁小体，RNA信使，病毒，甚至更小的纳米颗粒，如球状蛋白质，在活细胞的粘弹性胞质溶胶中扩散非常缓慢。因此，它们通过分子马达如驱动蛋白的足够快的定向运输对于细胞操作至关重要。近年来的研究表明，传统的闪烁布朗棘轮分子马达模型能够很好地描述这种亚扩散物质在分子马达中的正常和反常输运。这项工作进一步阐明了机械力化学耦合在这种异常传输中的重要作用。它显示了一个完美的亚扩散棘轮制度的自然出现，由于变构效应，其中在电机操作的心脏的“催化轮”的随机旋转与重载电机的随机步进完全同步，使得平均沿着微管在每个电机步仅消耗一个ATP分子。然而，催化发动机的转数和行驶距离都随时间呈次线性变化。尽管如此，这种反常的传输在绝对意义上可以非常快。
2018-11-09 physics.bio-ph
Dynamic stability of spindles controlled by molecular motor kinetics
我们分析了马达蛋白的力依赖动力学在极性丝的反平行阵列的稳定性中的作用，例如在有丝分裂纺锤体中的作用。我们确定了可能的稳定结构，并表明存在一个不稳定的集体行为的电机，导致崩溃的主轴。我们的分析提供了一个总体框架，以了解在真核细胞分裂的几个实验观察。
2006-03-30 physics.bio-ph q-bio.SC
Random Walk by Majority Rule and Lévy walk
研究了一个基于多数规则的随机游动模型。在给定的时刻，货物的移动方向是由两种竞争的马达蛋白之间的拔河机制介导的马达协调决定的。我们已经证明，概率分布$P(t)$的单向运行时间$t$的货物可以显着地描述为$P(t)\propto t^{-3/2} e^{-γ_u t}$与$γ_u$的运动蛋白从微管的解结合率的$t<γ_u^{-1}$的Levy步行。货物的均方位移从$t<γ_u^{-1}$的超扩散行为$\langle X^2\rangle\propto t^2$变为$t>γ_u^{-1}$的正常扩散行为$\langle X^2\rangle\propto t$。通过考虑马达蛋白与微管结合的相关效应，我们已经表明，$P(t)\propto t^{-{3/2}}$的Levy行走行为相对于仅添加有效截止时间$γ_b/γ_c^2$的相关性稳健地持续，其中$γ_c$表示相关性的量。
2017-12-30 physics.bio-ph physics.data-an
Fundamental constraints on the abundances of chemotaxis proteins
有鞭毛的细菌，如大肠杆菌，在一个称为趋化性的过程中，在引诱剂和排斥剂的浓度梯度中进行定向运动。急诊大肠杆菌趋化性信号通路是一种信号转导的模型，但它有其独特之处。我们证明，需要快速的信号需要高丰度的蛋白质参与这一途径。我们表明，进一步限制趋化蛋白的丰度产生的要求，自组装，鞭毛电机和化学感受器阵列。所有这些限制都是特定于趋化性的，已发表的数据证实趋化性蛋白往往比其他途径中的同源物表达更高。采用一个趋化途径模型，我们表明，在响应调节剂CheY的水平上的途径的增益增加与整体趋化蛋白丰度。这可以解释为什么，至少在一个E。大肠杆菌菌株中，所有趋化蛋白的丰度在营养含量较低的培养基中较高。我们还证明了E.大肠杆菌趋化途径对马达蛋白FliM的丰度变化特别稳健。
2015-03-10 physics.bio-ph q-bio.MN
Time traces of individual kinesin motors suggest functional heterogeneity
传统的分析在体外测定马达蛋白依赖于假设，所有的蛋白质具有相同的化学组成的功能相同;然而，分子到分子的变化，经常看到，即使在良好的控制实验。为了获得一组统计学上有意义的时间轨迹，同时避免任何实验文物，我们进行了量子点标记的驱动蛋白实验的表面和悬浮微管。类似于玻璃系统，我们发现，平均速度的个别驱动蛋白电机变化很大，从一个电机到另一个，其变化大于预期的随机变化的步进时间。在存在非均匀性的情况下，诸如扩散常数或随机性参数之类的整体平均量是不明确的。我们建议通过将单分子测量的异质数据分解成同质子集合来分析它们。
2015-08-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
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
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
Generic transport mechanisms for molecular traffic in cellular protrusions
分子马达沿着蛋白质丝以半封闭几何形状运输是细胞突起中生物相关过程的共同特征。使用一个格子气模型，我们研究如何积极和扩散的运输和质量守恒之间的相互作用，导致本地化的域壁和尖端本地化的电机。我们确定了一种机制，用于主动电机（保持梯度）和扩散运动（运输到尖端）之间的任务共享，这确保了能量消耗低，电机交换主要发生在尖端。这些功能归因于强大的最近邻的相关性，导致一个强大的减少活跃的电流，我们计算分析使用一个确切的时刻身份，并可能证明有用的相关性和主动运输的理解，也在更复杂的系统。
2017-03-07 physics.bio-ph
A Brownian Dynamics Model of Kinesin in Three Dimensions Incorporating the Force-Extension Profile of the Coiled-Coil Cargo Tether
驱动蛋白家族的马达蛋白参与多种细胞过程，运输物质和产生力。随着实验技术的最新进展，例如可以探测单个分子的光镊，人们越来越感兴趣地了解马达蛋白将化学能转化为机械功的机制。在这里，我们提出了一个数学模型的化学和三维力学的驱动蛋白马达蛋白，它捕获了许多力依赖的功能的电机。对于将货物附着到马达的系绳的弹性，我们开发了一种方法，用于从光阱数据导出非线性力-延伸关系。对于驱动蛋白头，货物，和显微镜阶段，我们制定了一个三维布朗动力学模型，考虑到排除体积相互作用。为了有效地计算统计数据的模型的算法，提出了使用两步协议，该协议分离的模型的化学动力学的模型的机械特征的模拟。利用该方法计算了马达输送的小球的力相关平均速度和随机参数，并与实验数据进行了比较。
2009-10-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Energetics and efficiency of a molecular motor model
Mogilner等人提出的线性分子马达模型的能量学和效率（Phys.Lett. 237，297（1998））从分析的角度进行了分析。该模型是基于蛋白质摩擦与轨道的耦合Langevin方程的运动结合耦合主方程的ATP水解。在这里，电动机的能量和效率是使用多体方案解决的，重点是在最大功率（EMP）的效率。据发现，EMP从约10百分之启发式描述的电机减少到约1千分之一时，将完整的电机动态，由于强大的耗散与电机的动作。
2014-10-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
"Cargo-mooring" as an operating principle for molecular motors
分子马达在不断变化和不稳定的环境中航行，并利用化学能运输细胞的关键成分，如神经递质和细胞器。它们产生力并拉动货物，因为它们实际上沿着聚合物束（例如微管）行走。然而，使用实验数据可以得出，这种牵引所需的能量将占据ATP水解所提供的22 kT的大部分。在这种情况下，将没有足够的能量来驱动蛋白质催化循环中的构象变化。此外，活细胞内的介质是粘弹性的。在这样的环境中拉动货物比在水性缓冲溶液中需要更多的能量。在这里，我们提出了一种机制，使电机更有效地利用化学能。在我们的模型中，能量被用来推动货物向前。电动机不再拉动，而只是保持一个珠子或囊泡，允许在由电动机-货物-轨道系统的弹性限制的范围内进行布朗运动。这种机制的结果是运动不仅依赖于电机，而且依赖于货物（特别是它的大小）和环境（即它的粘度和结构）。然而，目前的实验工作很少提供这种类型的信息，在体内研究。我们认为，即使是检测之间的微小差异也会影响结果。我们的研究结果与在湿实验室中获得的结果一致，并提供了新的见解的分子马达的运作机制。
2012-09-27 physics.bio-ph
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
Motion of rotatory molecular motor and chemical reaction rate
利用只考虑扩散过程的模型，研究了旋转分子马达的旋转速度和质子迁移率等物理量与化学反应速率的关系.发现了一种特殊的质子转运行为，这种行为增强了马达蛋白的能量转换效率。我们给出了一个自然的解释，即当化学反应速率之间存在某些不平等时，这种行为是普遍的。这为考察分子马达的运动是否受扩散过程控制提供了线索。
2003-08-16 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio
Tailoring collective motion of kinesin-driven microtubules via topographic landscapes
生物分子马达蛋白通过消耗从ATP水解获得的化学能来产生力，是组织活细胞中广泛的细胞骨架结构的关键。这种细胞骨架结构的控制有利于可编程蛋白质图案化;然而，由于用于控制斑图形成的工程方法的不发达，我们目前的知识是有限的。在这里，我们展示了定制的组装模式的驱动蛋白马达驱动的微管（MT）通过设计制造的微孔的边界形状。我们发现沿微孔壁的MT束结构和垂直于壁的桥接结构。通过自推进杆理论的证实，我们进一步表明，由边界形状定义的MT的排列决定了组装图案的过渡，为在微通道中重建桥结构提供了蓝图。我们的研究结果提供了一个几何规则来定制的纳米技术应用的细胞骨架和马达蛋白的自组织。
2021-10-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Force generation in small ensembles of Brownian motors
某些革兰氏阴性菌的运动是由IV型菌毛表面细丝的收缩介导的，这是感染性所必需的。收缩由强大的分子马达蛋白PilT提供动力，产生可以超过150 pN的非常高的力。马达机制的分子细节在很大程度上仍然是未知的，而其他特征已经被确定，例如PilT马达的环形蛋白质结构。由PilT系统产生的令人惊讶的高力激发了对分子马达中产生大力的模型研究。我们提出了一个简单的模型，涉及一个小合奏的电机子单元相互作用，通过变形的圆形骨干有限的刚度。该模型描述了电机亚基的扩散粒子在一个不对称的，时间依赖性的结合电位（闪烁棘轮电位），大致对应于ATP水解周期。我们计算力-速度关系的参数空间的一个子集，并探讨如何确定最大的力（失速力）的刚度，结合强度，合奏大小，和不对称程度。我们确定两个定性不同的制度的操作依赖于合奏大小和不对称之间的关系。在这两个制度之间的过渡，失速的力量依赖于非线性的电机子单元的数量。与没有相互作用的组分相比，我们发现了更高的效率和定性不同的力-速度关系。该模型捕捉到几个定性的功能在实验中获得的菌毛收缩力，如在低施加的力和不敏感的失速力的ATP浓度的变化，如大致恒定的速度。
2006-08-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Ensemble velocity of non-processive molecular motors with multiple chemical states
我们研究了非进行性马达蛋白质的系综速度，描述了多种化学状态。特别地，我们讨论了速度作为ATP浓度的函数。即使是一个简单的模型，忽略了应变依赖性的过渡率，反向过渡率和弹性的非线性可以显示有趣的功能依赖性，这显着偏离经常假设的Michaelis-Menten形式。我们讨论如何在占空比的事件的顺序可以推断出从测量的依赖性。该模型还预测了速度逆转的可能性，在一定的ATP浓度，如果占空比包含几个相反方向的构象变化。
2014-09-27 physics.bio-ph q-bio.SC
Learning via mechanosensitivity and activity in cytoskeletal networks
本文提出一种基于肌动球蛋白细胞骨架的机械敏感网络，在对比学习框架下从环境扰动中学习，为生物系统学习提供原理验证，并探讨其对适应与稳态的意义。
2025-04-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Evaporation-Induced Pattern Formation and Wetting in Active Microtubule-Kinesin Droplets
Harvard University（哈佛大学）；Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization（马克斯·普朗克动力学与自组织研究所）；University of Surrey（萨里大学）；Universität Konstanz（康斯坦茨大学）
本研究通过实验和理论结合的方法，揭示了蒸发过程中微管-肌动蛋白滴状体的自组织行为及湿性特征，揭示了交叉链接与主动应力在调控系统动态中的关键作用。
2026-02-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
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
On the kinetics that moves Myosin V
分子马达蛋白，如肌球蛋白V、动力蛋白或驱动蛋白，不是棘轮，至少不具有闪烁的不对称电位;关键的不对称性在于动力学活动。我们明确的一个简单的马尔可夫模型，强调动力学（和非热力学）方面的随机运输。分析表明，存在的波动对称性的动力学活动，这是反对称下的尾随和领先的头的电机反转的一部分。电机运动的方向由它决定。
2014-12-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
