Structure and dynamics of motor-driven microtubule bundles
将活性材料的大规模涌现行为与其组分的微观性质联系起来是一项挑战，因为缺乏有关此类系统的多尺度动力学和结构的数据。我们通过研究聚乙二醇（一种拥挤剂）对微管束和驱动蛋白-14分子马达的影响来解决这个问题。在低浓度或高浓度聚乙二醇存在下组装的束产生类似的净延伸行为。然而，随着聚乙二醇浓度的增加，微管在束中的运动从双向滑动与延伸过渡到纯延伸没有滑动。小角X射线散射表明，微管动力学的过渡是伴随着从一个开放的六边形到一个压缩的矩形晶格的束中的微管的重排。这些结果表明，尽管微管束和分子马达具有非常不同的内部结构和动力学，但它们可以显示出相似的介观伸展行为。
2022-09-14 cond-mat.soft
Pattern formation of microtubules and motors: inelastic interaction of polar rods
我们推导出一个模型，通过分子马达相互作用的微管阵列的时空组织。从一个随机模型的非弹性极棒与一般各向异性相互作用内核，我们得到一组方程的局部棒的浓度和取向。在足够大的平均棒密度和集中的电机，该模型描述的取向不稳定性。我们表明，取向的不稳定性导致形成的漩涡和（大密度和/或内核各向异性）在最近的实验中看到的星。
2005-04-26 cond-mat.soft
Novel Catchbond mediated oscillations in motor-microtubule complexes
机械振荡的产生是细胞内各种过程普遍存在的。我们发现，捕捉键合行为的电机蛋白提供了一个通用的机制，产生自发振荡的电机细胞骨架丝复合物。我们获得的相图来表征这种新的捕获键介导的机制如何引起双稳态和持续的极限环振荡，并导致非常独特的稳定行为，包括在生物学相关的机制中，在电机微管复合物中的非线性和非线性稳定。目前，人们认为生物捕捉剂的主要功能作用是当受到外力或流场时改善细菌和细胞的表面粘附。相反，我们的理论研究表明，这种捕获键介导的物理机制的印记将对从有丝分裂纺锤体振荡到肌纤维活动的整个细胞内过程产生影响。
2020-07-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Dry active turbulence in microtubule-motor mixtures
我们研究了微管和分子马达的干悬浮液的动力学和相行为。我们得到了一组连续方程严格粗粒化的微观模型，电机引起的相互作用导致平行或反平行秩序。通过数值模拟，我们表明，该模型一般创建稳定的条纹，或条纹周期性地形成，旋转，然后分裂的永不稳定的模式。我们推导出一个极小模型，它显示出与完整模型相同的不稳定性，并阐明了潜在的物理机制。必要的成分是由微管滑动产生的可扩展通量和有利于沿密度梯度排序的界面扭矩。我们认为，我们的极小模型统一到一个普遍的普遍性类干活性物质的混沌行为的各种以前的观察。
2018-06-25 cond-mat.soft
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
Tunable dynamics of microtubule based active isotropic gels
我们研究了由驱动蛋白分子马达簇驱动的成束微管活性凝胶的动力学。加入ATP后，数千个分子马达的协调作用将凝胶驱动到高度动态的类似于胶体的状态，这种状态持续数小时，并且仅受组成蛋白质的稳定性和化学燃料的可用性的限制。我们的特征如何增强运输和紧急宏观流动的活性凝胶依赖于相关的分子参数，包括ATP，驱动蛋白电机，和耗尽浓度，微管体积分数，以及化学计量的组成电机集群。我们的研究结果表明，基于微管的活性凝胶的动力学和结构特性是高度可调的。它们还表明存在最佳浓度的分子马达，其使活性各向同性MT凝胶的远离平衡的活性最大化。
2014-09-26 cond-mat.soft
Computer Simulations Reveal Motor Properties generating stable anti-parallel Microtubule interactions
一个星形的微管是一组灵活的极性细丝与动态的正端，从一个共同的位置辐射，在那里发现的负端的细丝。进行可溶性寡聚马达复合物可以同时绑定到两个微管，从而施加力之间的两个星形。利用计算机模拟，我系统地探讨了可能的稳态政权下的各种低聚马达的行动下，两个紫苑达到。正如预期的那样，运动复合体可以诱导星状体融合，例如当复合体仅由负端定向的马达组成时，或者当马达是正端定向时完全分离。更令人惊讶的是，由两个方向相反的马达组成的复合物也可以导致重叠微管之间的反平行相互作用，这种相互作用是稳定和持续的，就像有丝分裂纺锤体结构中看到的那样。这表明，如果它们存在于细胞中，这种杂合物可能具有显著的生物学作用。
2002-09-30 cond-mat.soft q-bio.CB
Dynamic concentration of motors in microtubule arrays
我们目前的实验和理论研究的分子马达的动力学微管阵列和星。通过求解对流-扩散方程，我们发现二维星状空间中马达的密度分布具有连续变化的指数特征。模拟被用来验证连续介质模型的假设。我们用荧光显微镜观察了驱动蛋白在准二维人工星状体中运动的浓度分布，并与我们的理论结果进行了比较。
2001-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio
Collective dynamics of microtubule-based 3D active fluids from single microtubules
驱动蛋白驱动的、基于微管的3D活性流体的自组织依赖于单个微管的集体动力学。然而，宏观流体流动和微管的微观运动之间的联系仍然不清楚。在这项工作中，单微管的运动的特点是通过二维滑动分析，并与三维活性流体的流动进行比较。虽然这两个系统的规模相差1,000倍，但两者都是由进行性、非进行性或两种分子马达蛋白的相等混合物驱动的。为了寻找两个系统之间的动态相关性，通过改变温度和ATP浓度来调节运动活动，并比较两个系统的变化。马达的持续合成能力发挥了重要作用，在活跃的流体流动，但只有当流体几乎不动，否则，流量占主导地位的流体动力学阻力控制的样本大小。此外，虽然发动机的热反应导致主动流体随着温度的升高而流动得更快，但这种温度依赖性可以通过引入温度变化的耗尽剂来逆转，强调耗尽剂在设计主动流体的温度响应中的潜在作用。活性流体的温度响应几乎是立即的（<10秒）。这样的特性使得能够用温度开关控制活性流体。总的来说，这项工作不仅澄清了温度在活跃流体活动中的作用，而且揭示了活跃流体的集体动力学与其组成的单个微管的动力学之间关系的基本原理。
2019-04-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Motor driven microtubule shape fluctuations - force from within the lattice
我们发展了一个一般理论的微管（MT）变形的分子马达产生的内力双峰内MT晶格。我们描述了两个基本的内部激励，S和V形，并比较它们与文献中的实验观察。我们解释了微管蛋白空位的特殊作用和观察到的戏剧性的变形放大效应katanin在缺陷的位置。实验观察到的形状用于确定MT剪切模量和拉伸模量（$\approx 6\times10^{-5}$）的比率，并用于估计由katanin在MT晶格中诱导的力（10的pN）。对于许多电机作用于一个单一的MT，我们推导出表达式的端到端的距离减少，并提供标准的主导地位，这种新的影响热波动。我们的结论是，分子马达，如果合作行动，可以“动画”从晶格内的MT和诱导松弛，即使没有交叉桥接到其他结构，一个场景非常让人想起马达驱动的轴丝。
2007-04-15 cond-mat.soft
Asters, Spirals and Vortices in Mixtures of Motors and Microtubules: The Effects of Confining Geometries on Pattern Formation
我们模型的限制上获得的非平衡稳态的混合物的分子马达和微管的稳定的自组织模式的影响。在实验中[Nederland等人，Nature，389，305（1997）; Surrey等人，Science，292，1167（2001）]，微管由马达蛋白的复合物定向。这种相互作用产生了各种各样的图案，包括星群的排列、涡旋和无序的构型。我们通过一个二维矢量场描述的本地粗粒度的微管方向和两个标量密度场相关的分子马达模型。这些标量场描述了附着在微管上并沿着微管移动或在溶剂中自由扩散的马达。单星，螺旋和涡旋状态之间的过渡得到的结果，限制，在我们的模型中的参数是不同的。我们还获得了其他新的状态，包括“外向星”，扭曲的漩涡和晶格上的限制系统的星。我们计算的稳态分布的约束和自由电机在星和涡流配置的微管，并比较这些我们的模拟结果，提供定性参数的稳定性不同的模式，在各种制度的参数空间。我们还研究了拥挤或“饱和”的作用，在紫苑的汽车密度分布的影响，讨论了这种影响的作用，在稳定单一的紫苑。
2003-11-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Theory of self-assembly of microtubules and motors
我们推导出一个模型，通过分子马达相互作用的微管阵列的时空组织。从一个随机模型的非弹性极棒与一般各向异性相互作用内核，我们得到一组方程的局部棒的浓度和取向。在足够大的平均密度的棒和集中的电机，该模型描述了取向不稳定性。我们表明，取向的不稳定性导致形成的漩涡和（大密度和/或内核各向异性）在最近的实验中看到的星。我们推导出的具体形式的相互作用内核的微观相互作用的两个细丝介导的移动分子马达的详细分析，并扩展我们的结果，包括可变的电机密度和电机附件的基板。
2005-12-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Microtubule-based active fluids with improved lifetime, temporal stability and miscibility with passive soft materials
我们已经开发了几个不同的模型系统的微管为基础的三维主动各向同性流体，并比较了它们的动力学和结构特性。这些流体的非平衡动力学由三种不同类型的驱动蛋白马达提供动力：进行性马达、非进行性马达和永久连接到微管骨架的马达。第四个修改使用特定的微管交联剂，而不是一个非特异性的depletant诱导成束。与以前开发的系统相比，每种新的活性流体配方都具有某些增强的特性。首先，将马达连接到微管骨架将流体的寿命从几小时延长到几天。此外，切换到非进行性马达显著地增加了主动动力学的时间稳定性，而使用特定的交联剂产生了可以结合其他被动软材料（诸如聚合物凝胶或液晶）的系统。这些新开发的模型系统将显着帮助和提高我们的能力，以量化不同的现象，在微管为基础的活性物质。
2018-11-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Non-equilibrium microtubule fluctuations in a model cytoskeleton
生物活性引起细胞质中的非平衡波动;然而，很少有方法直接测量这些波动。使用重构的肌动蛋白细胞骨架，我们表明，嵌入的微管的弯曲动力学可以用来探测局部应力波动。我们加入肌球蛋白马达，驱动网络失去平衡，导致微管弯曲波动的振幅增加和时间依赖性改变。我们表明，这种行为的结果从阶跃状的力量的顺序为10 pN的集体电动机动力学驱动。
2007-09-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech 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
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
Multiscale Microtubule Dynamics in Active Nematics
在基于微管的主动向列学中，马达驱动的微管束的伸展运动为混沌大尺度动力学提供动力。我们量化的丝间滑动运动在孤立的束和在一个密集的活跃的纤维束。一个孤立的微管对的延伸速度与分子马达的步进速度相当。相比之下，在密集的2D主动向列的净延伸是显着较慢，丝间滑动速度广泛分布的平均值和长丝表现出收缩和伸展相对运动。这些测量结果突出了将孤立束的延伸率与密集的2D主动神经元中存在的多电机和多细丝相互作用连接起来的挑战。它们还提供了构建多尺度模型所必需的定量数据。
2021-09-13 cond-mat.soft
Swirling Instability of the Microtubule Cytoskeleton
在细胞质流动的细胞现象中，沿着微管网络携带货物的分子马达夹带周围的液体。由单个马达产生的微微牛顿力足以使长微管变形，就像许多移动马达产生的集体流体流动一样。在果蝇$D.~melanogaster$卵母细胞发育过程中的流动研究表明，从空间无序的细胞骨架，支持流动只有短程的相关性，一个有序的状态与细胞跨越旋涡流的过渡。为了验证这一假设，即这种转变是由流体-结构相互作用驱动的，我们研究了离散细丝模型和粗粒度的连续理论的电机上移动的可变形的细胞骨架，这两者都表现出$swirling~instability$自发大规模的旋转运动，观察到的。
2020-08-27 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Motor-driven microtubule diffusion in a photobleached dynamical coordinate system
本研究利用光二聚化驱动蛋白马达控制微管网络收缩，结合光漂白网格坐标系，发现网络收缩伴随类扩散，其扩散常数比自由微管低两个数量级，且扩散与平流时间尺度相近，揭示马达驱动的全局收缩与局部扩散竞争机制。
2024-08-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Kinetic theory of pattern formation in mixtures of microtubules and molecular motors
在这项研究中，我们制定了一个理论方法，玻尔兹曼动力学方程的基础上，描述斑图形成的二维混合物的微管细丝和分子马达。根据Aranson和Tsimring的先前工作[Phys. Rev. E { \bf 74}，031915（2006）]，我们将微管的电动机诱导的重定向建模为碰撞规则，并设计半解析方法来计算相应的相互作用积分。这个过程产生一个无限层次的动力学方程，我们终止采用一个完善的封闭策略，在模式形成社区和基于功率计数参数。因此，我们到达一个封闭的一组耦合方程缓慢变化的局部密度和方向的微管，并研究其行为进行线性稳定性分析和直接数值模拟。通过将我们的方法与Aranson和Tsimring的工作进行比较，我们评估了推导他们和我们的理论所需的假设的有效性。我们表明，我们的近似免费评估的相互作用积分和我们选择的一个系统的封闭策略的结果在一个相当不同的动力学行为比以前报道的。根据我们的理论，我们讨论了随后的相图和观察到的模式。
2017-11-16 cond-mat.soft
Light-activated microtubule-based 2D active nematic
我们的特点是二维（2D）微管为基础的主动向列型驱动的光响应驱动蛋白电机集群。我们评估了两种结构的光遗传驱动蛋白：opto-K401，一种进行性运动，和opto-K365，一种非进行性运动。测量结果显示，光电K365电机的最大和最小照明状态之间的对比度的改善的数量级。聚焦于光K365向列相，我们表征了稳态流动和缺陷密度作为应用光的函数，并研究了稳态之间的瞬态行为。通过在厘米大小的样品上施加的光强度来设置稳态的微扰流和缺陷密度，而与初始条件无关。虽然微扰流在几十秒内达到稳态，但缺陷密度表现出4至10分钟的瞬态行为，显示出小规模主动重组和系统规模结构状态之间的分离。这项工作建立了一个实验平台，以测试理论框架，利用时空异构模式的活动，以产生有针对性的动态状态。
2023-03-06 cond-mat.soft
Computational modelling of the collective stochastic motion of Kinesin nano motors
我们建立了一个二维随机分子动力学模型，用于描述生物马达，特别是驱动蛋白在微管轨道上的细胞内集体运动。该模型能够或再现沿微管定向运动的手-手机制。该模型给出了驱动蛋白沿微管的平均定向速度和电流。结果表明，当驱动蛋白的密度超过一定值时，系统的平均速度和电流会显著降低，这是由于系统中形成了交通堵塞。
2010-06-21 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
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
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
Why Microtubules run in Circles - Mechanical Hysteresis of the Tubulin Lattice
每个真核细胞的命运都微妙地依赖于微管的特殊机械特性。尽管付出了巨大的努力，但了解它们不寻常的机制仍然是难以捉摸的。一个持续存在的未解决的谜团是长寿弧和环的形成，例如在驱动蛋白驱动的滑动测定中。为了阐明它们的物理起源，我们开发了一个模型的微管的晶格的内部运作，根据最近的实验证据的微管蛋白二聚体的构象开关。我们表明，微管晶格本身共存于离散的多态性状态。弯曲状态可以通过机械滞后来诱导，所述机械滞后涉及协同作用的几个分子马达的典型扭矩和力。这种晶格开关使微管不仅在典型的细胞力下几乎不可破坏，而且还为它们提供了整合机械和化学刺激的可调响应。
2014-05-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Spatiotemporal patterning of extensile active stresses in microtubule-based active fluids
主动应力，这是集体产生的运动消耗能量的棒状成分，产生混乱的自主流动。在空间和时间上控制主动应力是控制可伸展的主动流体的内在混沌动力学的必要前提。我们设计的单头驱动蛋白分子马达，表现出光学增强集群，从而使精确和可重复的空间和时间控制的可扩展的主动应力。这种马达能够在流动状态和静止状态之间快速、可逆地切换。反过来，时空图案的主动应力控制无处不在的弯曲不稳定性的可伸展的活性流体的演变，并确定其临界长度的依赖性。将光学控制的簇与传统的驱动蛋白马达相结合，能够一次性地从收缩性主动应力切换到伸展性主动应力。这些结果开辟了一条道路，对主动流体产生的自主流动的实时控制。
2022-09-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Multi-Motor Cargo Navigation in Complex Cytoskeletal Networks
本文通过体外构建复杂微管网络，研究附着1至10个驱动蛋白马达的量子点货物导航行为，发现马达数量和网络密度共同调控货物的行走距离、运行时间、平均速度与迂曲度。
2024-10-03 cond-mat.soft q-bio.BM
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
Wrinkling instability in 3D active nematics
在自然界中，生物聚合物和马达蛋白之间的相互作用产生了生物学上必不可少的涌现行为。除了细胞骨架力学之外，活性向列体也是由这种相互作用产生的。在这里，我们提出了一个由微管，驱动蛋白马达和消耗剂的三维主动向线的研究。它显示了丰富的行为，从向列有序的空间填充分布的微管束向扁平和收缩的2D带状物，经历了一个旋转不稳定性，随后过渡到一个3D活跃的湍流状态。皱纹波长与ATP浓度无关，我们的理论模型描述了它与出现时间的关系。我们比较实验结果与数值模拟，证实了驱动蛋白马达的交联和滑动的微管的关键作用。我们的研究结果的积极收缩的网络和独立的皱纹波长ATP浓度的理解这些3D系统的重要步骤。
2020-08-04 cond-mat.soft
Emergent collective properties of many-motor systems in one dimension
沿着微管，某些主动马达在一个方向上推动自己，而另一些则在相反的方向上推动自己。例如，运输货物的马达蛋白动力蛋白和驱动蛋白分别将它们自身推向微管的所谓正端和负端，并且在这样做时能够彼此通过，但不是没有相互作用。我们讨论了由许多马达组成的系统的涌现集体行为，一些马达向正端推进，另一些马达向负端推进。为了做到这一点，我们在这个强相互作用、远离平衡的经典随机多电机系统和在虚时间中演化的量子力学多体系统之间进行了类比。我们应用量子多体理论，包括自洽的平均场论和玻色化的著名方法，揭示的现象所表现出的多电机系统，如结构的形成和集体模式在低频和长波长的动力学。特别是，通过玻色化的描述，我们发现类似物的手性Luttinger液体，以及一个定性的过渡性质的低频模式-从传播到纯粹的耗散-控制的密度和相互作用强度。
2016-03-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Geometry-Dependent Defect Merging Induces Bifurcated Dynamics in Active Networks
本研究通过实验与理论结合，发现活性微管-马达网络中缺陷合并取决于裂纹初始角度，存在临界角导致合并或张开的分叉动力学，并构建弹性杆模型预测该临界角。
2025-09-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Kinesin-driven de-mixing of cytoskeleton composites drives emergent mechanical properties
本研究结合实验与模拟表征驱动蛋白重构的肌动蛋白-微管复合物力学特性，发现中等马达浓度下的相分离会引发涌现刚度，揭示了结构-力学耦合实现刚度增强的新机制。
2025-01-13 cond-mat.soft
Stochastic simulations of cargo transport by processive molecular motors
我们使用随机计算机模拟研究运输的球形货物颗粒沿着微管样的轨道上的平面基板上的几个驱动蛋白样的加工马达。我们新开发的粘合剂电机动力学算法结合了数值积分的朗之万方程的运动与动力学规则的分子马达的球。朗之万部分包括扩散运动、牵引马达的作用以及球与壁之间的流体动力学相互作用。电机的动力学规则包括绑定到灯丝和从灯丝解除绑定以及主动电机步骤。我们发现，模拟的平均运输长度呈指数增长与绑定电机的数量，与早期的结果吻合得很好。对于用作连接器力学模型的弹簧和电缆，在电机轨道的绑定范围内的电机数量随时间波动，具有泊松分布。只有在粘度和附着时间高的情况下，才会出现在相等载荷分担意义上的协同性。
2009-12-11 cond-mat.soft q-bio.BM q-bio.SC
Efficiency at maximum power of interacting molecular machines
我们研究了分子马达系统在最大功率下的效率。我们考虑两种模型的驱动蛋白电机上的微管：对于简化和详细的模型，我们发现，多体排斥效应提高了效率，在最大功率的多电机系统，相对于单电机的情况下。值得注意的是，我们发现，这种效果发生在一个有限的区域的系统参数，兼容的生物相关的范围。
2012-10-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Nonlinear competition between asters and stripes in filament-motor-systems
研究了极性细丝通过分子马达复合物相互作用的模型，该模型表现出空间模式的分叉。结果表明，均匀分布的细丝，如肌动蛋白或微管，可能会变得不稳定相对于一个有限的波数的取向不稳定性或相对于调制的细丝密度，长波长模式放大以及。阈值以上的非线性相互作用选择条纹图案或周期性星。通过对基本模型方程的数值模拟，证实了弱非线性扰动分析预测了每种模式在阈值附近的存在性和稳定性范围.决定模型分叉情况的两个相关参数可以分别与活性分子马达和细丝的浓度相关，这两者都可以容易地由细胞调节。
2005-02-09 cond-mat.soft
Understanding Mechanochemical Coupling in Kinesins Using First-Passage Time Processes
驱动蛋白是一种以步进方式沿微管运动的进行性马达蛋白，其运动由ATP水解提供动力。最近的实验已经研究了单个驱动蛋白分子的各个步骤和ATP水解之间的耦合，明确考虑到向前步骤，向后步骤和determination。动力蛋白中的机械化学耦合的理论研究，扩展了成功地用来描述传统的马达蛋白的动力学的方法，提出。驱动蛋白从微管的不可逆determination的可能性也明确考虑。利用首次通过时间方法，采用最简单的两态模型对驱动蛋白中机械化学耦合的实验数据进行了全面的描述。结果表明，驱动蛋白向前或向后移动一步，或不可逆地解离的停留时间是相同的，虽然这些事件的概率是不同的。它的结论是，目前的理论观点，只有马达蛋白分子的向前运动耦合到ATP水解，是一致的所有可用的实验观察驱动蛋白。
2004-06-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
The Force Exerted by a Molecular Motor
由单个分子马达施加的随机驱动力（例如，驱动蛋白或肌球蛋白）在周期性分子轨道（微管、肌动蛋白丝等）上移动。从开放的实验测试的一般观点进行了讨论。一个基本的“气压”关系的驱动力的介绍，（一）适用于一系列的动力学和随机模型，（二）是一致的，更详细的表达式需要明确表示的外部施加的负载，（iii）足够接近热平衡，满足爱因斯坦型的关系方面的速度和扩散系数的（无负载）电机。即使在最简单的两态模型中，载荷图呈现出各种不同的形状（包括非单调行为）。先前建议的驱动力的界限是不适用的一般通过分析离散跳跃模型的等待时间分布。
1999-03-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Collective transport of weakly interacting molecular motors with Langmuir kinetics
基于纤维的细胞内转运涉及分子马达蛋白的集体作用。实验证据表明，微管（MT）丝结合的马达蛋白，如{ \it驱动蛋白}在运输过程中相互之间以及与周围细胞环境的相互作用很弱。基于这些观察结果，我们研究了分子马达在开丝上集体单向输运的驱动格子气模型，该模型考虑了分子马达在开丝上的短程相互作用，并通过分子马达的吸附-脱附朗缪尔（LK）动力学将分子马达在开丝上的输运过程与周围的细胞环境耦合起来.我们分析这个模型的框架内的平均场（MF）理论的限制{ \it弱}之间的相互作用的电机。我们指出这个模型与Katz-Lebowitz-Spohn（KLS）模型的非保守版本的映射。该系统表现出丰富的相行为与各种不均匀的相，包括局部冲击的大部分的灯丝。我们得到的稳态密度和电流分布，并分析它们的相互作用的强度的函数的变化。我们将这些MF结果与蒙特卡罗模拟进行比较，发现只要电机相互作用较弱，MF分析就显示出相当好的一致性。我们还绘制了非平衡MF相图。
2015-01-09 cond-mat.soft
Persistent fluid flows defined by active matter boundaries
生物系统通过活性蛋白质结构（包括鞭毛、纤毛和细胞骨架网络）的自组织来实现对周围流体的精确控制。在活性结构中，单个蛋白质消耗化学能以分子长度尺度产生力和运动。蛋白质组分的自组织使得能够在微米尺度上控制和调节流体流场。组织和控制活性物质驱动的流体流动的物理原理知之甚少。在这里，我们应用一个光学控制的活性物质系统组成的微管细丝和光开关驱动蛋白马达分析持续流场的出现在一个模型活性物质系统。利用光，我们形成不同形状的收缩微管网络。我们分析了由各种微管网络几何形状产生的流体流场，并在统一的理论框架内解释了由此产生的流场。我们具体证明了收缩微管网络边界处的微管通量的几何形状通过有限元模拟预测了多边形网络几何形状的稳态流体流场。我们的工作提供了一个基础编程的微观流体流动与可控的活性物质，并可以使通用和动态的微流体装置的工程。
2020-09-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Axonemal bending stiffness of $\mathit{Chlamydomonas}$ cilia implies single-motor forces above $5\,\mathrm{pN}$
TU Dresden（德累斯顿工业大学）；Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden（德累斯顿大学生命物理卓越集群）；B CUBE, TU Dresden（德累斯顿大学B CUBE中心）
本研究通过衣藻轴丝弯曲刚度估算动力蛋白马达的峰值力下限，发现其超过典型失速力，暗示刚度或集体力机制需重新评估。
2026-10-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Non-Equilibrium Effects of Molecular Motors on Polymers
我们提出了一个通用的粗粒度模型来描述作用于聚合物底物的分子马达，例如，模仿DNA上的RNA聚合酶或微管上的驱动蛋白。聚合物被建模为一个连接的珠链;电机表示为自由扩散的珠，在遇到基板时，通过一个短程吸引力的潜力结合到它。当结合时，马达和聚合物珠粒经历与聚合物相切的相等且相反的主动力;这导致马达沿着聚合物轮廓运动。包括明确的电机区分我们的模型从其他最近的活性聚合物模型。我们研究，通过Langevin动力学模拟，电机活动的影响上的构象和动力学性质的基板。我们发现，活动导致，除了预期的增强聚合物扩散，有效地减少其持久性长度。我们发现，这种有效的“软化”是双折叠分支或发夹出现的结果，并且可以通过改变马达的数量或它们产生的力来调节。最后，我们调查的效果的马达上的结形成的概率。与直觉相反，我们的模拟表明，即使在平衡时，更灵活的基板将显示出增加的打结概率，电机活动导致相对于平衡的打结构象的发生率显着下降。
2020-10-13 cond-mat.soft
Dynamic Flow Control Through Active Matter Programming Language
本研究开发了一种全光学平台，利用微管和马达蛋白网络编程流场，实现微米级运输、混合和分离，并探测DNA流变学，展示了活性物质系统在微流控技术中的潜力。
2023-10-05 cond-mat.soft physics.flu-dyn
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
A Simple Experimental Model to Investigate Force Range for Membrane Nanotube Formation
活细胞中膜小管的存在对于许多生物过程是必不可少的。在细胞中，形成纳米尺寸的脂质小管的一种机制是通过分子马达诱导的双层提取。在本文中，我们描述了一个简单的实验模型，以调查所需的力量，脂质管形成使用驱动蛋白马达锚定DOPC囊泡。以前的相关研究使用分子马达主动拉动膜以提取纳米管。在这里，我们反转系统的几何形状，分子马达被用作静态锚连接DOPC囊泡的二维微管网络和外部流被引入到产生纳米管的阻力促进。我们发现，约7 pN的拖曳力足以用于半径为1至2 μ m的囊泡的小管提取。通过我们的方法，我们发现由单个分子马达产生的力足以从球形脂质囊泡中提取膜小管。
2016-10-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The effect of active fluctuations on the dynamics of particles, motors and hairpins
受最近的实验的启发，在人工细胞骨架和细胞中的粒子和聚合物的动力学，我们介绍了一个修改后的Langevin方程的粒子在一个环境中，是一个粘弹性介质，并带来了平衡的积极波动的行动所造成的分子马达。我们表明，在这样一个模型中，一个自由粒子的运动从superdiffusive到subdiffusive的交叉观察示踪粒子在一个{ \it在体外}细胞骨架或在一个细胞。我们调查的动力学的一个简单的模型的拴系头驱动蛋白1的运动的粒子限制的谐波电位。我们发现，头部靠近其结合位点的微管的概率可以提高两个因素，由于积极的力量。最后，我们研究了作为DNA发夹动力学模型的双势阱中粒子的动力学。我们发现，主动力有效地降低了两个极小值之间的势垒，并研究了这种现象对拉链/解拉链速率的影响。
2016-11-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech 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
Long-Range Repulsion Between Chromosomes in Mammalian Oocyte Spindles
本研究通过定量活细胞显微镜发现小鼠卵母细胞纺锤体中染色体存在长程排斥，并利用向列型液晶理论解释该现象，揭示了材料物理学在细胞结构组织中的新作用。
2024-03-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
