Quantitative Determination of Spatial Protein-protein Proximity in Fluorescence Confocal Microscopy
为了量化荧光显微图像中的空间蛋白质-蛋白质邻近性（共定位），将互相关和自相关函数分解成快速和缓慢衰减的分量。快速组分来自特异性标记的蛋白质簇，而慢速组分来自背景/图像异质性。我们表明，蛋白质-蛋白质邻近指数和相关系数的计算更可靠地确定通过提取快速衰减的成分。
2009-04-28 physics.bio-ph
A topological perspective into the sequence and conformational space of proteins
氨基酸的精确序列在蛋白质的三级结构及其功能特性中起着核心作用。疏水极性晶格模型提供了有关能源景观的宝贵见解。我们在这里证明了蛋白质序列和可设计的结构之间的同构非常长的氨基酸链的二维和三维lattice蛋白质使用精确的计数和直观的considerations.We强调，氨基酸残基的拓扑安排单独是足够的推导出可设计的和不可设计的序列，而无需明确的求助于能量和简并。结果表明，在二维和三维的蛋白质的现实晶格模型的计算可行性，并暗示，结构的设计的基本原则是疏水性和极性残基的连接。
2015-03-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Self-organization principles of intracellular pattern formation
在原核生物、真核生物和多细胞生物中，特定蛋白质的动态模式对于许多重要的细胞内过程的时空调节是必不可少的。扩散蛋白相互作用产生的模式的出现是自组织的一个典型例子。本文综述了大肠杆菌胞内Min蛋白模式的定量模型。coli，Cdc42在S.酿酒酵母中PAR蛋白的双极型，以及C.优雅通过分析驱动这些系统的分子过程，我们得出了自组织斑图形成的一般原则的理论观点。我们认为，细胞内斑图形成是不捕获的概念，如“激活剂”，“抑制剂”，或“底物耗尽”。相反，细胞内斑图形成是基于蛋白质通过胞质扩散的再分布，以及蛋白质在不同构象状态之间的循环。因此，质量守恒的反应扩散方程提供了最合适的框架来研究细胞内斑图形成。我们的结论是，定向运输，例如沿积极维持胞质梯度的胞质扩散，是斑图形成的关键过程。因此，自组织的基本原理是通过细胞内蛋白质动力学建立和维持定向运输。
2018-02-20 physics.bio-ph q-bio.SC
A library-based Monte Carlo technique enables rapid equilibrium sampling of a protein model with atomistic components
由于全原子方法在时间尺度上的局限性，对蛋白质的快速模拟有很大的兴趣。利用计算机存储器的低成本和高可用性，我们报告了一种用于将完全灵活的原子蛋白质组分（例如，肽平面）转化为蛋白质模型，而不损害采样速度或统计学严谨性。基于现有的近似方法（例如，Rosetta），该技术使用预先生成的所有原子组分的统计库，这些组分在模拟过程中与相应的蛋白质组分交换。我们研究的简单模型由三个全原子骨架残基- Ala，Gly和Pro -与基于结构的（GO样）相互作用组成。对于本研究中考虑的五种不同蛋白质，LBMC可以在大约一个月的单CPU时间内生成至少30种统计独立的配置。添加残基特异性相互作用所需的额外成本最小。
2008-12-04 physics.bio-ph physics.comp-ph
Ion irradiation induced direct damage to proteins and their components
在我们的上一篇论文中，我们报道了高能离子与DNA及其组分之间的直接相互作用，指出对DNA的损伤实际上具有最高的生物学后果，因为DNA序列的完整性对于生物功能至关重要。蛋白质是另一类重要的生物分子。虽然最近已经注意到离子辐射引发的导致DNA损伤的反应级联，但由高能离子诱导的蛋白质损伤在分子尺度上仍然几乎未被探索（可能是因为通常存在每个蛋白质的许多拷贝，所以相当水平的损伤具有小得多的生物学影响）。除了DNA损伤，还需要了解导致辐解蛋白损伤的新生事件，以便完整描述电离辐射对活细胞的影响。
2008-07-01 physics.bio-ph
Diffusive coupling of two well-mixed compartments elucidates elementary principles of protein-based pattern formation
细胞中蛋白质的空间组织对于许多生物功能是重要的。一般来说，蛋白质-斑图形成的非线性、空间耦合模型只能通过数值模拟来实现，这对一般基本原理的了解有限。为了克服这个限制，我们采用了两个扩散耦合，混合良好的隔间，代表任何模式的基本特征-接口的设置。对于细胞内系统，蛋白质的总数在斑图形成的相关时间尺度上是保守的。因此，基本的动力学是两个隔间之间的全球守恒质量密度的重新分配。我们提出了一个相画像分析的相空间的重新分配的群众，提供洞察的物理机制背后的斑图形成。我们证明了这种方法的几个范例模型系统。特别是，我们表明，在大肠杆菌的极点到极点的敏振荡是弛豫振荡的MinD极性取向。这揭示了细胞极性振荡模式之间的密切关系。重要的是，我们的研究结果表明，细胞内斑图形成的设计原则是在这些相图（零倾和固定点）的特征。这些功能不是唯一确定的蛋白质相互作用网络的拓扑结构，但取决于参数（动力学速率，扩散常数）和不同的网络可以产生等效的相图功能。
2021-04-15 nlin.PS physics.bio-ph
Protein folding: Complex potential for the driving force in a two-dimensional space of collective variables
利用二维集体变量空间中折叠通量矢量场的Helmholtz分解，引入了蛋白质折叠驱动力的势函数。势有两个分量。一个组件是负责的源和汇的折叠流，这分别代表，未折叠的状态和天然状态的蛋白质，和其他的，占固有的流场的外围产生的流动涡度，是负责的源和汇之间的流的渠道化。通过对$β$ -发夹蛋白模型的计算，说明了理论上的考虑。
2013-10-12 physics.bio-ph q-bio.BM
Design of elastic networks with evolutionary optimised long-range communication as mechanical models of allosteric proteins
变构效应通常是蛋白质活性的基础，阐明变构现象所特有的通用设计方面和功能原理是一个重大挑战。在这里，一种方法，其中包括在合成结构的硅设计，作为变构的主要元素，编码动态远程耦合两个网站之间的。结构由弹性网络表示，类似于真实蛋白质的粗粒度模型。实施进化优化策略以迭代地改进变构偶联。在所设计的结构中，从应变传播的角度分析了变构相互作用，并将进化过程中出现的简单途径确定为建立远程通信的签名。此外，还证明了变构性能对突变的稳健性。事实证明，设计的原型结构显示出类似于真实变构蛋白质的动力学特性。因此，它们可以作为复杂变构系统（如蛋白质）的玩具模型。
2017-02-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Structure-based prediction of protein-folding transition paths
我们提出了一个描述蛋白质折叠过渡路径分布的一般理论。我们表明，过渡路径遵循一个可预测的序列的高自由能的瞬态分离的自由能障碍。每个瞬态对应于一个或多个离散的合作单元的组装，这些单元直接从原生结构确定。我们表明，折叠路径上的过渡状态时，达到一个小数目的临界接触之间形成一组特定的子结构，折叠后进行自由能下坡。这种方法提出了一个自然的分辨率区分平行折叠途径，并提供了一个简单的方法来预测在折叠反应的限速步骤。我们的理论确定了不同的天然结构的蛋白质的共同折叠机制，并建立了具有特定相互作用的聚合物自组装的一般原则。
2016-07-27 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A Gauge Field Theory of Chirally Folded Homopolymers with Applications to Folded Proteins
我们结合规范不变性与非本征弦几何的原则，开发一个晶格模型，可以用来从理论上描述手性，无支链的均聚物的性质。我们发现，在其低温阶段的模型是在相同的普适性类与蛋白质的存储在蛋白质数据库中，在这个意义上的紧凑性指数。我们应用该模型来分析折叠蛋白质的各种统计方面。奇怪的是，我们发现它可以产生与蛋白质数据库中的数据非常匹配的结果。
2010-08-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech hep-lat
Design principles for the glycoprotein quality control pathway
内质网（ER）中新翻译的糖蛋白经常经历伴侣结合和释放的循环，以帮助折叠。需要进行质量控制以区分已完成天然折叠的蛋白质、尚未折叠的蛋白质和错误折叠的蛋白质。使用定量建模，我们探讨如何设计的质量控制途径调节其效率。我们的研究结果表明，一个耗能的循环质量控制过程，类似于观察到的生理系统，优于替代设计。优化该系统性能的动力学参数随蛋白质生产水平急剧变化，同时保持对蛋白质折叠速率相对不敏感。仅调整降解速率，同时固定其他参数，允许该途径在一系列蛋白质生产水平上进行调整，与体内测量结果保持一致，这些测量结果表明降解相关酶的释放是蛋白质稳态扰动的快速响应系统。这里开发的定量模型阐明了ER中有效糖蛋白质量控制的设计原则，提高了我们对维持细胞健康至关重要的系统的机械理解。
2020-08-12 physics.bio-ph q-bio.SC
In-silico folding of a three helix protein and characterization of its free-energy landscape in an all-atom forcefield
我们报告的可重复的第一性原则折叠的40个氨基酸，三个螺旋头部分的艾滋病毒辅助蛋白在最近开发的全原子自由能力场。使用适应盆跳跃方法的二十个模拟中的六个收敛到优于3 μ m的骨干RMS偏差到实验结构。使用这种蛋白质的60，000多种低能构象，我们构建了一个诱饵树，完全表征了它的折叠漏斗。
2003-10-29 physics.bio-ph physics.comp-ph q-bio.BM
Building blocks of protein structures -- Physics meets Biology
球状蛋白质的天然状态结构是稳定的，并且包装良好，这表明在折叠条件下，自相互作用优于蛋白质-溶剂相互作用。我们以此为指导原则，推导出蛋白质结构的构建模块的几何结构，α-螺旋和链组装成β-折叠，没有可调参数，没有氨基酸序列信息，也没有化学。在数学和物理学的要求与量子化学的规则之间有一种近乎完美的契合。我们的理论建立了一个能量景观，通过提供序列独立的平台来阐述序列依赖的功能多样性来引导蛋白质进化。我们的工作强调了离散性在生命中的重要作用，并对人工生命的创造和宇宙中其他地方的生命性质产生了影响。
2021-01-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The holographic principle and the language of genes
我们证明了量子引力中的全息原理对生命施加了强有力的约束。生物体的自由度可以根据布尔网络理论来估计，该理论受到熵界的约束。因此，我们可以用蛋白质序列或DNA序列来解释语言。生物复杂性的整体进化可以用图来说明。蛋白质长度分布的一些一般性质可以用语言机制来解释。
2008-05-31 physics.bio-ph physics.gen-ph
Are Protein Folds Atypical?
蛋白质结构是所有可能结构中非常特殊的一类。有人认为，“可设计性原则”在自然界选择蛋白质序列和结构方面起着至关重要的作用。在这里，我们提供了这样的选择原则的理论基础，使用一种新的配方的蛋白质折叠问题的基础上疏水相互作用。当追踪骨架时，结构被简化为分别表示表面和核心位点的0和1的串。因此，每个结构都与高维空间中的一个点相关联。序列由其疏水性的串表示，因此可以映射到相同的空间。在这个空间中，与任何其它结构相比，更靠近特定结构的序列将以该结构作为其基态。非典型结构，即那些远离其他结构在高维空间，有更多的序列折叠到他们，并在几何上更稳定。我们认为，最常见的折叠蛋白质是最不典型的空间中可能的结构。
1997-09-06 adap-org cond-mat.stat-mech nlin.AO
Principles for optimal cooperativity in allosteric materials
变构蛋白通过与配体结合来传递机械信号。然而，了解所传输信息的性质以及优化此类传输的架构仍然是一个挑战。在这里，我们显示使用{ \it in-silico}进化方案和理论参数，优化的架构是合作的，有效地传播能量，{定性}不同于以前研究的材料优化传播应变。虽然我们观察到了大量的功能合作架构（包括剪切，铰链和扭曲设计）的多样性，他们都服从相同的原则{显示一个{ \it机制}，即扩展的{软}模式}。我们发现，其最佳频率随着系统的空间扩展$L$为$L^{-d/2}$而减小，其中$d$是空间维度。对于这些最优设计，对于$d=2$，协同性随$L$以几何方式衰减，而对于$d=3$不衰减。总的来说，我们的方法导致了对变构蛋白中的几个观察结果的自然解释，并且{表明了测试变构蛋白是否接近最优的实验路径}。
2018-06-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Investigating causality between principal components in protein dynamics
Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA)（国际高等研究院）；International Centre for Theoretical Physics (ICTP)（国际理论物理中心）
利用因果发现框架分析蛋白质分子动力学模拟的主成分，构建有向网络揭示主成分间的因果不对称性，补充传统协方差分析。
2026-06-24 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Soliton concepts and the protein structure
结构分类表明，不同的蛋白质折叠的数量是令人惊讶的小。蛋白质似乎也是以模块化的方式构建的，由相对较少的组件组成。在这里，我们提出了一个广义离散非线性薛定谔方程的暗孤子解来识别蛋白质的模块化构建块。对于这一点，我们表明，几乎所有的蛋白质环可以简单地通过缩放的大小，并通过连接在一起的孤立子，一个接一个的副本数。孤子只有两个特定的参数，我们确定其可能的值在蛋白质数据库。我们发现，与200组参数的集合，每个确定一个孤立子配置文件，描述了一个不同的短循环，我们覆盖了90%以上的所有蛋白质的实验精度。我们还提出了两个例子，描述了如何循环库可以用来建模和分析折叠蛋白质的结构。
2011-09-18 cond-mat.soft math-ph math.MP
Design principles of natural light harvesting as revealed by single molecule spectroscopy
生物学提供了适应、创新和灵感的无限源泉。存在各种各样的光合生物，它们能够使用丰富且低成本的材料以非常有效的方式收集太阳光。这些天然捕光复合物由蛋白质组成，这些蛋白质强烈结合高密度的发色团以捕获太阳光子并将激发能量快速转移到光化学反应中心。收集的光的量也被精细地调整到太阳辐射的水平，以保持反应中心的恒定能量通量，并避免电荷分离产物的积累。在这篇综述中，将讨论最近的发展，在理解光收集的植物，从单分子光谱学研究获得的结果的基础上。重点介绍了植物主要捕光天线的三个设计原则：（a）精细的光敏控制内在蛋白质紊乱，以有效地利用内在可用的热能耗散机制;（b）设计低能发色团二聚体的蛋白质微环境，以控制阴影吸收量;（c）激子歧管的设计，以确保所收集的光到终端发射器簇的有效的漏斗。
2015-12-15 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Facilitated diffusion of DNA-binding proteins
扩散控制的限制，反应时间的位点特异性DNA结合蛋白质是来自第一原则。我们遵循普遍接受的概念，即蛋白质通过两种竞争模式进行传播，即空间中的三维扩散和沿DNA的一维滑动。然而，我们对这个问题的理论处理是新的。我们的分析模型的准确性进行了验证，通过数值模拟。结果证实，蛋白质与DNA的非特异性结合，结合滑动，能够显着减少反应时间。
2005-11-22 physics.bio-ph physics.comp-ph
Pattern Formation Beyond Turing: Physical Principles of Mass-Conserving Reaction--Diffusion Systems
本文提出基于质量守恒反应-扩散系统的理论框架，研究细胞内蛋白质模式的形成机制，并以大肠杆菌Min蛋白系统为例，展示如何从生化细节中提取多尺度理论。
2025-12-14 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Global organization of protein complexome in the yeast Saccharomyces cerevisiae
生物体中的蛋白质，而不是单独作用，通常形成蛋白质复合物来执行细胞功能。我们分析了蛋白质复合物及其组成蛋白质在芽殖酵母中的拓扑网络结构的二分网络及其投影，其中复合物和蛋白质是其两个不同的组成部分。与传统的蛋白质相互作用网络相比，由蛋白质复合物形成的网络比二元蛋白质相互作用的网络显示出更均匀的结构，这意味着复合物的形成导致了相对更均匀数量的相互作用伴侣。此外，我们提出了一种新的优化方法来确定蛋白质复合物的丰度和功能，基于他们的全球组织的信息。通过提供对细胞行为的定量描述，而不仅仅是蛋白质相互作用列表的“目录”，估计丰度和生物学功能对于许多研究来说是非常重要的。通过我们新的优化方法，我们提出了全基因组范围内的丰度和复合物的生物学功能的分配，以及以前未知的蛋白质丰度和功能，这可以为蛋白质组学的进一步研究提供重要信息。它得到了许多生物学相关实例的有力支持，例如细胞骨架蛋白与信号转导之间的关系以及代谢酶Eno 2参与细胞分裂过程。我们相信，我们的方法和发现不仅适用于蛋白质组学的特定领域，而且适用于系统生物学更广泛的领域与优化原则的概念。
2011-08-15 physics.bio-ph q-bio.QM
How fast are the motions of tertiary-structure elements in proteins?
蛋白质运动发生在多个时间和距离尺度上。蛋白质三级结构元件（即结构域）的大规模运动特别有趣，因为它们对许多酶的催化活性以及蛋白质机器和马达的功能循环至关重要。理论估计表明，磁畴运动应该非常快，发生在纳秒或微秒的时间尺度上。事实上，畴运动的自由能势垒很可能涉及盐桥，盐桥可以在微秒内断裂。可以直接探测快速时间尺度上的磁畴运动的实验方法只是在最近几年才出现的。这一观点简要讨论了其中的一些技术，包括NMR和单分子荧光光谱。我们介绍了一些最近的研究，证明超快畴运动，并讨论其潜在的作用。特别令人惊讶的是，观察到三级结构元素的动力学比某些蛋白质机器的功能周期快得多。这些迅速的行动可以在个案基础上加以合理化。例如，多底物酶中的快速结构域闭合可用于优化相对底物取向。构象动力学与功能循环的时间尺度的大的不匹配是否是蛋白质的一般设计原则仍有待确定。
2020-09-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Analytic stability analysis of three-component self-regulatory genetic circuit
自我调节遗传回路，其中蛋白质充当其自身生产的正调节器，已知是具有正反馈回路的生物网络的最简单形式。虽然至少需要三种成分，DNA，RNA和蛋白质，以形成这样的电路，自我调节电路的固定点的稳定性分析已经被执行后，减少系统到一个两个组件系统组成的RNA和蛋白质，假设一个快速平衡的DNA成分。通过求全三维Hessian矩阵的特征值，分析了三分量正反馈回路不动点的稳定性。除了严格识别稳定不动点和鞍点之外，还可以获得详细的信息，例如鞍点附近的正特征值的数量。特别是，复杂的特征值显示存在足够慢的绑定和解绑定的自调节转录因子的DNA，导致振荡收敛到稳定状态，一个新的功能，在二维分析中看不见。
2014-08-09 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Ensembles of Protein Molecules as Statistical Analog Computers
一类模拟计算机建立了大量的微观概率机器进行了讨论。据推测，这种计算机在生物系统中作为蛋白质分子的集合体实现。形式主义是基于一个抽象的计算模型，称为蛋白质分子机（PMM）。PMM是一个连续时间的一阶马尔可夫系统，具有真实的输入和输出向量，有限的离散状态集，以及依赖于输入的状态转移的条件概率密度。PMM的输出是其输入和状态的函数。输入向量的分量称为广义电位，可以解释为膜电位和神经递质的浓度。输出矢量的分量称为广义电流，可以表示离子电流和第二信使的流量。一个PMM的集合（EPMM）是一组具有相同输入向量的独立相同的PMM，并且输出向量等于单个PMM的输出向量之和。这篇论文表明，生物神经元比目前流行的人工神经元模型具有更复杂的计算资源。
2003-08-13 cs.AI cs.NE physics.bio-ph
Generalising the Central Dogma as a cross-hierarchical principle of biology
本文提出将中心法则推广为信息传递与表达的分工，统一跨生物尺度视角，并借助数学模型揭示其源于进化冲突驱动的自发对称性破缺。
2025-08-06 cond-mat.other nlin.AO physics.bio-ph
Protein structure classification based on X-ray laser induced Coulomb explosion
本研究模拟了六种相似蛋白质在高强度X射线诱导下的Coulomb爆炸动力学，通过主成分分析和t-SNE对500个爆炸足迹进行分类，证明爆炸足迹可作为蛋白质的独特标识符，并有望与单粒子相干成像实验结合提供附加信息。
2024-10-21 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
