Intrinsically Disordered Proteins at the Nano-scale
人类蛋白质组富含不能折叠成稳定的3D结构的蛋白质。这些内在无序的蛋白质（IDP）自发地在其天然形式的大量构型之间波动。值得注意的是，这种疾病不会像变性折叠蛋白那样导致功能障碍。事实上，与变性蛋白质不同，最近的证据强烈表明，多种生物功能源于这种结构可塑性。在这里，我们集中在纳米尺度的长度尺度上，回顾了IDP研究的最新进展，并讨论了一些未来的方向，在这个非常有前途的领域。
2021-01-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Diffusion of intrinsically disordered proteins within viscoelastic membraneless droplets
本研究利用分子动力学模拟揭示了FUS和DDX4等内在无序蛋白在生物分子凝聚物液滴中因粘弹性和限制效应表现出瞬态次扩散，且其在液滴内部与界面的构象及扩散差异导致位移分布非高斯性。
2024-01-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modulating Hierarchical Self-Assembly In Thermoresponsive Intrinsically Disordered Proteins Through High-Temperature Incubation Time
本文发现高温孵育时间是调控类 resilin 固有无序蛋白分级自组装的关键参数，延长孵育可形成序列依赖的微米棒状、椭球状及纳米层状有序结构，为无序蛋白自组装控制提供了新方法。
2023-11-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Membrane shape deformation induced by curvature-inducing proteins consisting of chiral crescent binding and intrinsically disordered domains
含有Bin/Amphiphysin/Rvs结构域的弯曲诱导蛋白通常具有固有的无序结构域。最近的实验表明，这些无序链增强曲率传感和生成。在这里，我们报告使用无网格膜模拟无序链的蛋白质-膜相互作用的修改。蛋白质和结合膜一起被建模为具有两个排除体积链的手性新月蛋白质棒。随着链长的增加，它们之间的排斥力减小了蛋白质的簇大小。它诱导纺锤形囊泡和在盘形囊泡中的弧形和圆形蛋白质组装体之间的过渡。对于平坦的膜，由于蛋白质组装体之间的排斥，中间的链长度诱导许多小管，而较长的链促进小管的垂直伸长。此外，具有零杆曲率和足够长的链的蛋白质杆稳定球形芽。对于具有负杆曲率的蛋白质，中间链长度诱导具有分支蛋白质组装体的崎岖的膜，而较长的链诱导具有周期性凹环结构的小管的形成。
2022-07-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Phosphorylation-induced mechanical regulation of intrinsically disordered neurofilament protein assemblies
蛋白质组装体的生物学功能通常等同于独特的三维蛋白质结构和蛋白质特异性相互作用。然而，在过去的20年中，人们发现，一些组件包含采用多种结构构象的长柔性区域。这些包括构成神经元的应激反应支持网络的神经丝（NF）蛋白。在这里，我们表明，NF网络的宏观性质是通过酶的灵活的蛋白质区域上发现的电荷调节。结果揭示了酶（磷酸化）调节的宏观性质，如方向，应力响应和灵活的蛋白质组装体的扩展。再加上一个模型解释有吸引力的静电相互作用引起的酶添加的电荷，我们证明磷酸化调节是远远丰富和多才多艺比以前认为的。
2016-09-18 physics.bio-ph
Design principles of transcription factors with intrinsically disordered regions
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）；John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University（哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院）
研究揭示了转录因子中内在无序区域在提高结合亲和力和缩短搜索时间方面的设计原理，并通过模型验证实验结果。
2025-06-11 physics.bio-ph
Order from disorder with intrinsically disordered peptide amphiphiles
两亲分子及其自组装结构由于其在材料设计、生物医学和化妆品等领域的潜在应用而长期以来一直是广泛研究的目标。生物化学工程对功能复杂性的需求日益增加，这促使研究人员在设计新的两亲物方面进行创新。一类新兴的分子，即肽两亲物，结合了关键的优点，并规避了传统磷脂和嵌段共聚物的一些缺点。在此，我们提出了新的肽两亲物组成的本质上无序的肽共轭的两个变体的疏水性树突状结构域。这些分子被称为固有无序肽两亲物（IDPA），表现出尖锐的pH诱导胶束相转变，从低分散性球极其细长的蠕虫状胶束。我们提出了一个实验表征的过渡，并提出了一个理论模型来描述的pH响应。我们还提出了潜在的形状过渡，作为一种机制的设计货物持有和释放应用程序。这种两亲性系统展示了为各种刺激响应性生物医学应用定制无序肽之间的相互作用的能力。
2021-03-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
From isolated polyelectrolytes to star-like assemblies: The role of sequence heterogeneity on the statistical structure of the intrinsically disordered Neurofilament-low tail domain
本研究利用同步辐射小角X射线散射探究NFL无序尾部结构域的序列异质性对其统计结构的影响，发现不带电结构域诱导吸引相互作用使其自组装成星状聚合物刷，而截断后带电结构域保持孤立聚电解质特征。
2024-02-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Theoretical prediction of spectral and optical properties of bacteriochlorophylls in thermally disordered LH2 antenna complexes
提出了一种计算已知原子结构的色素-蛋白质复合物光谱和光学性质的通用方法。该方法结合了分子动力学模拟、量子化学计算和统计力学模型，通过计算LH 2天线复合物B800-B850 BChls的吸收光谱和圆二色光谱，证明了该方法的有效性。molischianum在室温下。计算的光谱与实验结果符合得很好。计算结果表明，B800谱带的展宽主要是由于与极性蛋白质环境的相互作用引起的，而B850谱带的展宽主要是由于激子相互作用引起的.由于该方法不含拟合参数，原则上可用于预测已知结构的任意色素蛋白质复合物的光谱。
2006-02-09 physics.bio-ph physics.comp-ph
Intramolecular Structural Heterogeneity altered by Long-range Contacts in an Intrinsically Disordered Protein
本文结合SAXS、trFRET与高分子物理分析NFLt，发现子片段Flory标度指数随净电荷线性变化，而完整蛋白中的长程接触会使各片段更伸展。
2023-06-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Link Node: A Method to Characterize the Chain Topology of Intrinsically Disordered Proteins
该研究结合分子动力学模拟，利用高斯连接数图谱识别IDP中的物理连接与Link Nodes，揭示其异质分布、拓扑约束及数百纳秒尺度的慢拓扑演化。
2024-03-20 physics.bio-ph physics.comp-ph
Current Topics, Methods, and Challenges in the Modelling of Intrinsically Disordered Protein Dynamics
一级氨基酸序列决定结构和功能的范式长期以来一直是理解蛋白质科学的核心。虽然该理论得到了大多数结构蛋白质行为的支持，但在讨论内在无序蛋白质（IDP）时，它失去了很大的适用性。这些特殊的蛋白质，其三级结构不断地在一系列能量上有利的构象之间相互转换，是许多当前迫切的科学机制的根源。许多生物学过程仍有待阐明--蛋白质折叠、配体结合和一般蛋白质动力学的机制--都涉及IDP。由于大多数动态蛋白质事件都是在如此短的时间尺度上发生的，因此使用实验方法来观察它们的行为通常不会产生有用的数据。同样，为结构化“静态蛋白质”开发的科学技术所产生的数据必须与专门为国内流离失所者量身定制的方法所产生的数据一起提出，才有意义。一种以令人震惊的精度对IDP进行建模的方法是计算机模拟，特别是分子动力学（MD）模拟。随着计算能力最近才增加到足以涵盖蛋白质动力学所需的时间尺度，MD模拟在其实现中仍然相当新颖。本文将讨论和巩固当前的方法，问题和解决方案，使用MD模拟模型IDP。哪些模拟参数可以改变，以更精确地描述观察到的生物行为？如何准确地使用MD模拟来回答那些在使用实验方法时没有答案的问题？如何对MD模拟得到的数据进行分析和量化，以支持得出的结论？
2022-12-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.med-ph
Optimal efficiency of quantum transport in structured disordered systems with applications to light-harvesting complexes
无序量子网络，如描述捕光复合物的那些，通常以存在捕获光的天线结构和转移激发的内部结构（反应中心）为特征。光子晶体通常表现出显著的相干特征：它们的本征态可以根据激发的转移分为超辐射态和次辐射态两类。这两者对于优化传输效率都很重要。在没有无序的情况下，超辐射态与RC的耦合强度增强，而次辐射态基本上与RC解耦，无序引起次辐射态和超辐射态之间的耦合，从而产生与RC的间接耦合。我们考虑的问题，找到最大的激发传递效率作为RC能量和无序强度的函数，首先在一个典型的三能级系统，然后在一个现实的模型中的捕光复合物的紫色细菌。具体来说，我们专注于的情况下，在该情况下，激发是最初的subradiant状态，表明最佳的无序的顺序superradiant耦合。我们还确定了初始状态和RC能量之间的最佳失谐量。我们发现，在一个大的能量窗口的最佳失谐附近的效率仍然很高，成比例的超辐射耦合。这允许从具有不同的最佳失谐的几个初始状态的激发转移的同时优化。
2015-08-07 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph quant-ph
Fine structures of Intrinsically Disordered Proteins
本研究利用粗粒化珠-弹簧模型模拟33种IDPs，校准HPS1/HPS2参数，并通过标度关系、Wilson电荷指数、偏度参数及盐浓度依赖揭示其精细结构。
2023-12-05 cond-mat.soft physics.bio-ph
A Curated Rotamer Library for Common Post-Translational Modifications of Proteins
本文基于RCSB PDB构建了常见翻译后修饰的精选侧链旋转异构体库，覆盖磷酸化、甲基化和乙酰化修饰，并在折叠蛋白结构预测及无序蛋白系综生成中验证其优于SIDEpro和Rosetta。
2024-05-06 physics.bio-ph
Nanoparticle mobility over a surface as a probe for weak transient disordered peptide-peptide interactions
弱相互作用形成了大量生物过程的核心基础，特别是那些涉及内在无序蛋白质的过程。在这里，我们建立了一种新的技术，能够探测这些弱相互作用之间的合成未折叠的多肽使用方便而有效的，定量的方法基于单粒子跟踪的肽包被的金纳米粒子在肽包被的表面。我们证明，我们的技术是足够灵敏的观察到一个单一的氨基酸突变的影响上的瞬时肽-肽的相互作用。此外，缓冲盐度的影响，预计改变弱静电相互作用，也很容易检测和详细检查。本文提出的方法具有以高通量方式评价广泛的无序蛋白质、多肽和其他生物分子的弱相互作用的潜力。
2019-08-29 cond-mat.soft physics.bio-ph
The complexity of protein interactions unravelled from structural disorder
结构紊乱可能是蛋白质相互作用的一种新机制的想法在文献中广泛存在，尽管支持这一点的统计学显著结构研究的数量少得令人惊讶。在与以前的作品不同，我们的结论完全依赖于一个大规模的分析，所有的134337 X射线晶体结构的蛋白质数据库平均超过集群的几乎相同的蛋白质序列。在这项工作中，我们探讨了组织的复杂性时，观察到的蛋白质位于替代复合物的所有相互作用的接口，显示接口逐步加起来，在一个层次的方式。我们进一步研究了这种复杂性与不同的结构紊乱措施的连接：标准的缺失残基和一个新的定义，称为“软紊乱”，它涵盖了所有的灵活和结构无定形残基的蛋白质。我们发现的证据表明，相互作用界面和软无序区域往往涉及大致相同的氨基酸的蛋白质，和初步的结果表明，软无序斑点的表面区域，新的接口逐渐容纳复杂的形成。我们的研究结果表明，无序区域不仅携带复合物内替代界面位置的关键信息，而且还携带组装顺序的信息。我们在几个例子中验证了这些假设。最后，我们比较了我们的措施的障碍与几个障碍的预测，显示这些后者是优化预测的残基是失踪的蛋白质的所有替代结构，他们不能赶上复杂的形成后无序区域的渐进演变。然而，预测的残基，如果没有丢失，往往被表征为软无序。
2020-11-24 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.BM
Efficient inference of protein structural ensembles
越来越清楚的是，传统的蛋白质单一结构模型不足以理解它们的生物学功能。在这里，我们概述了一种从实验中推断蛋白质最常见的结构（天然状态）的方法，但整个系统可以采用的构象。这样的集合模型对于理解内在无序的蛋白质、酶催化和信号传导是必要的。我们认为，生成这样一个模型的最困难的方面将是找到一个小的配置集，以准确地模拟结构异质性，并提出一种方法来克服这一挑战。
2014-08-01 physics.bio-ph q-bio.BM
Structured Random Binding: a minimal model of protein-protein interactions
本文提出结构化随机结合（SRB）模型，基于无序系统统计物理描述蛋白质相互作用，揭示非特异性结合相变及弱结合复合物向特异性复合物的演化条件，并发现演化同源二聚体界面结构与真实蛋白质一致。
2025-03-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Knowledge Distillation of a Protein Language Model Yields a Foundational Implicit Solvent Model
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文通过知识蒸馏将蛋白质语言模型ESM3的进化信息转化为高效的图神经网络，构建出可转移的隐式溶剂模型，解决了传统方法在蛋白质折叠和无序蛋白行为模拟中的精度不足问题。
2026-03-25 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Molecular simulation analysis of structural variations in lipoplexes
我们使用一个粗粒度的分子模型来研究阳离子和中性脂质与DNA分子的复合物（“lipoplexes”）的自组装过程-一种有前途的非病毒DNA载体用于基因治疗。我们通过直接可视化的分子排列和通过计算相应的散射图来确定所得到的结构。后一种方法提供了一种手段，从X射线散射实验与公布的数据进行比较。与实验结果一致，我们发现，在增加的脂质材料的刚度，系统往往形成层状结构。从层状复合物的散射图中可以提取两个特征距离-层状（层间）间距和每层内的DNA间距。我们发现这两个量的计算值与实验数据之间有很好的一致性[J.O.雷德勒岛Koltover，T. Salditt和C. R. Safinya，Science Vol.275，810（1997）]在实验研究的带电脂质（CL）的摩尔分数的整个范围内。对模拟系统的目视检查表明，对于非常高分数的CL，自发形成由结合到小膜片段的DNA分子组成的无序结构。这些非层状无序复合物的衍射图似乎非常相似的层状结构，这使得解释的X射线数据模糊。层状秩序的损失可能是所观察到的脂质复合物作为基因递送载体在高电荷密度下的效率增加的起源。
2011-03-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Protein folding tames chaos
蛋白质折叠从未折叠的多肽或无序卷曲产生特征性和功能性三维结构。蛋白质折叠过程中异常复杂性的出现对理论建模和计算机模拟提出了惊人的挑战。本文介绍了分子非线性动力学（MND）或分子混沌动力学，作为描述和分析蛋白质折叠的理论框架。我们揭示了折叠蛋白质混沌动力学中固有低维流形的存在。此外，我们发现，从无序到有序的构象在蛋白质折叠的过渡增加的ILDM的横向稳定性。换句话说，蛋白质折叠降低了非线性动力学系统的混沌性，折叠的蛋白质具有最好的驯服混沌的能力。此外，我们揭示了ILDM稳定性和热力学稳定性之间的联系，这使我们能够量化折叠，错误折叠和未折叠的蛋白质状态的无序性和相对能量。最后，我们利用混沌蛋白质的灵活性分析，并开发了一个强大的混沌算法预测的Debye-Waller因素，或温度因素，蛋白质结构。
2013-08-13 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
NANOG assembles into self-limiting aging micelles that drive a sol-gel transition and modulate DNA dynamics
Centre for Regenerative Medicine, Institute for Regeneration and Repair（再生医学中心，再生与修复研究所）；School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh（爱丁堡大学物理与天文学院）；School of Molecular Biosciences, University of Glasgow（格拉斯哥大学生物分子科学学院）；Institute for Stem Cell Research, School of Biological Sciences, University of Edinburgh（爱丁堡大学生物科学学院干细胞研究所）
研究转录因子NANOG在高浓度下通过其内在无序结构域形成老化凝胶，并发现其形成自限性胶束，通过稳定DNA缠结调节DNA动力学，可能通过局部凝胶环境限制基因组动力学来调控基因表达。
2026-06-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Disordered proteins and network disorder in network descriptions of protein structure, dynamics and function. Hypotheses and a comprehensive review
在过去的十年中，网络方法成为描述蛋白质结构和动力学的强大工具。在这里，我们回顾了无序蛋白质和相关网络之间的联系，并描述了在蛋白质结构和动力学的变化的局部，介观和全球网络无序的后果。我们引入了一种新的蛋白质网络分类为积云型，即，类似于蓬松（白色）的云，和层云类型，即，那些类似于平坦，密集（黑暗）的低洼云，并将这些网络类型与蛋白质紊乱动力学和能量传输过程的差异联系起来。在第一类中，模块之间的重叠有限，这意味着单个单元的刚性较高;在那里，构象变化可以通过能量转移机制来描述。在第二类中，拓扑结构呈现出模块之间具有显著重叠的紧凑结构;在那里，构象变化可以通过多轨迹来描述;即，多个高度填充的路径。我们进一步提出，无序的蛋白质区域进化，以帮助其他蛋白质片段达到很少访问，但功能相关的状态。我们还显示了氨基酸的空间游戏的障碍的作用，突出的影响，内在无序蛋白（IDP）的细胞网络，并列出一些可能的研究蛋白质紊乱和蛋白质结构网络。
2012-03-02 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
Towards multistage modelling of protein dynamics with monomeric Myc oncoprotein as an example
我们建议将平均场方法与所有原子分子动力学结合成一个多级算法，该算法可以模拟蛋白质折叠和动力学在很长一段时间内还具有原子级精度。作为一个例子，我们研究了一个孤立的单体Myc癌蛋白，它与结肠癌、乳腺癌和肺癌有关。在生理条件下，单体Myc被认为是内在无序蛋白的一个例子，这对现有的建模技术提出了严重的挑战。我们认为，室温下的单体Myc是在一个动态的状态，它振荡之间的不同构象，我们确定。为此，我们采用晶体学异源聚体中Myc的C-α骨架作为单体结构的初始锚定物。我们构造了一个相关的朗道自由能的多孤子，以超高精度描述C-α轮廓。我们使用Glauber动力学来解决多孤子如何响应环境温度的反复升高和降低。我们确认，初始结构是不稳定的孤立。我们揭示了一个高度退化的基态景观，一个有吸引力的一套，其中Glauber动力学收敛在极限消失的环境温度。我们用室温分子动力学分析了这种Glauber吸引子的热稳定性。我们确定并仔细检查一个特别稳定的子集，其中两个螺旋段的原始多孤子平行对齐，彼此相邻。在MD时间演化的一个代表性的结构从这个子集，我们观察到间歇性准粒子振荡沿C-末端α-螺旋，其中一些类似于一个翻译达维多夫的酰胺-I孤子。我们建议，振荡运动的存在是符合预期的内在无序特性的Myc。
2016-12-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Sequence of Events During Peptide Unbinding from RNase S: A Complete Experimental Description
的光触发的解结合的本质上无序的S-肽从RNase S复合物的研究与瞬态红外光谱的帮助下，覆盖了广泛的时间尺度从100 ps到10 ms。为此，偶氮苯部分已连接到S-肽的方式，其螺旋度被破坏的光，从而启动其完全解结合。观察到事件的完整顺序，从S-肽的螺旋结构在20 ns时间尺度上展开开始，同时仍然处于S-蛋白的结合口袋中，300微秒后S-肽解结合，以及3 ms后S-蛋白的结构响应。关于S-肽动力学，结合机制可以被分类为诱导配合，而S蛋白的结构反应更好地描述为构象选择。
2021-05-25 physics.bio-ph q-bio.BM
Long-lived quantum coherence in photosynthetic complexes at physiological temperature
光合天线复合体通过将激发转移到反应中心来捕获和集中太阳辐射，反应中心将来自光子的能量存储在化学键中。这个过程以近乎完美的量子效率发生。最近在低温下的实验已经揭示了相干能量转移--一种波状转移机制--发生在许多光合色素-蛋白质复合物中（1-4）。使用Fenna-Matthews-Olson天线复合体（FMO）作为模型系统，结合非相干和相干传输以及热失相的理论研究预测，环境辅助的量子传输效率在生理温度附近达到峰值;这些研究进一步表明，该过程相当于量子随机行走算法（5-8）。该理论要求在室温下具有长寿命的量子相干性，这在FMO中从未观察到。在这里，我们提出的第一个证据表明，量子相干性生存在FMO在生理温度至少300 fs，足够长的时间来执行一个基本的量子计算操作。这一数据证明，在77 K下发现的波浪状能量传递过程与生物功能直接相关。在显微镜下，我们将这种长的相干寿命归因于包裹发色团的蛋白质基质内的相关运动，并且我们发现蛋白质提供的保护程度在77 K和277 K之间似乎是恒定的。蛋白质塑造能量景观，并介导有效的能量转移，尽管热波动。在这些条件下，动态无序系统中量子相干性的持久性表明了一种新的仿生策略，用于设计可以在高温下运行的专用量子计算设备。
2010-01-28 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Theoretical model of membrane protrusions driven by curved active proteins
真核细胞通过改变其膜的组成和重组其底层的细胞骨架来内在地改变其形状。在这里，我们提出了进一步的研究和扩展的最小物理模型，描述了一个封闭的囊泡与移动弯曲的膜蛋白复合物。细胞骨架力描述了由于肌动蛋白聚合而产生的膨胀力，肌动蛋白聚合被弯曲的蛋白质复合物募集到膜上。我们描述了这个模型的相图，作为主动力的大小，最近邻蛋白质相互作用和蛋白质的自发曲率的函数。它以前表明，该模型可以解释板状伪足样扁平突起的形成，在这里，我们探索的制度，该模型也可以引起丝状伪足样管状突起。我们扩展了模拟与弯曲组件的凸和凹的物种，在那里我们发现复杂的皱褶集群的形成，以及类似于内吞和巨胞饮的过程的内化内陷。我们改变代表细胞骨架的力模型来模拟成束而不是分支结构的影响，从而产生类似于丝状伪足的形状。
2023-01-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Sequence Complexity and Monomer Rigidity Control the Morphologies and Aging Dynamics of Protein Aggregates
该研究利用最小模型模拟揭示，单体的序列复杂性与弯曲刚性决定蛋白质聚集体形成液滴、向列型纤维或无定形聚集体，并解释其遍历性差异与老化动力学。
2024-06-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
