Signal focusing through active transport
针对分子热扩散限制生化受体传感精度的问题，提出通过分子马达主动运输将信号分子定向递送至受体扩散距离内的“主动聚焦”机制，有效降低计数噪声相关时间并提升传感精度。
2015-01-13 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Biophysical and Biochemical mechanisms underlying Collective Cell Migration in Cancer Metastasis
多细胞集体迁移是细胞在不同组织环境中空间移位以实现各种生物学现象（即，胚胎发育、伤口愈合和肿瘤进展）的普遍策略。多种细胞功能和行为，如细胞突起、主动收缩、细胞-细胞黏附、生化信号传导、组织微环境重塑等，同时发挥自己的作用，从而产生多细胞迁移的单一协调结果。因此，揭示内在复杂的集体细胞迁移过程的生物化学和生物物理驱动原理是一项不可逾越的任务。数学和计算模型，与实验数据相结合，有助于阐明它。在这里，我们回顾了影响集体细胞迁移的不同因素，然后专注于不同的数学和计算模型-离散，混合，和连续-这有助于揭示多细胞迁移的不同方面。最后，我们讨论了这些建模框架在癌症中的应用
2022-01-18 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.QM
Mechanical Interaction Between Cells Facilitates Molecular Transport
在体内，真核细胞嵌入基质环境中，在那里它们生长和发育。通常，这种细胞外基质（ECM）是各向异性的纤维结构，纳米级的大分子和生化信号分子通过其扩散。细胞通过机械相互作用不断重塑ECM，这导致生物力学和生物化学细胞-细胞相互作用之间的潜在联系。在这里，我们研究了细胞诱导力施加在ECM上如何影响远距离细胞之间分子的生化运输。实验上，我们观察到细胞通过随时间增加纤维排列和它们之间基质的密度来重塑ECM。使用随机行走模拟的3D晶格，我们实现了细长的固定障碍，模仿纤维ECM结构。我们测量示踪分子的扩散和从一个细胞分泌的分子到达另一个细胞所需的平均首次通过时间。我们的模型预测，细胞诱导的重塑可以导致细胞之间分子运输的急剧加速。纤维排列和致密化导致从3D到更快的1D过程的传输维度的减少。因此，我们提出了一种新的机制，机械生化反馈的调节远距离细胞间通讯。
2019-08-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Mechanical and Systems Biology of Cancer
机械和生物化学信号在癌症中通常都是失调的，导致癌细胞表型表现出增加的侵袭性、增殖和存活。细胞骨架组分的动力学和相互作用控制基本的机械性质，如细胞张力、刚度和与细胞外环境的接合，这可导致细胞外基质重塑。细胞内机制可以改变信号和转录因子，影响细胞决策。此外，来自细胞外环境中的可溶性和机械因子的信号传导，例如底物硬度和配体密度，可以调节细胞骨架动力学。与实验支持紧密结合的计算模型，结合癌症特异性参数，可以提供定量评估，并作为预测工具，用于解剖信号传导和机制之间的反馈，以及肿瘤进展中的多个尺度和领域。
2018-07-24 physics.bio-ph q-bio.CB
A Computational Model of YAP/TAZ Mechanosensing
在细胞增殖、干细胞分化、化学抗性和组织中，YAP/TAZ的普遍作用继续影响着我们对许多生理和疾病系统的基本理解。YAP/TAZ是一个重要的信号通路，整合了多种机械和生物化学信号，如ECM刚度，粘附配体密度或细胞-细胞接触，从而强烈影响细胞命运。最近的研究表明，YAP/TAZ机械传感依赖于RhoA调节的应力纤维。然而，目前对YAP/TAZ的理解仍然有限，这是由于经典Hippo通路和细胞张力之间的未知相互作用。为了确定关键信号分子在机械信号传感和转导中的作用，我们提出了一个新的计算模型的YAP/TAZ信号通路。该模型通过粘附将ECM机械特性转化为生化信号，并整合了与细胞骨架动力学相关的细胞内信号级联。粘附分子，如FAK，预计救援YAP/TAZ活性在软环境中通过RhoA途径。我们发现，分子浓度的变化导致不同的模式YAP/TAZ刚度响应。我们还研究了YAP/TAZ活性对ECM刚度的敏感性。此外，该模型表明，YAP/TAZ活性之间的机械传感和Hippo途径的未解决的协同效应可以解释LIMK和LATS的相互作用。总的来说，我们的模型提供了一个新的平台，研究YAP/TAZ活动的背景下，整合不同的信号通路。该平台可用于获得关键分子和机械调节剂在发育，组织工程或肿瘤进展中的作用的新的基本见解。
2016-04-12 physics.bio-ph q-bio.SC
From Intracellular Signaling to Population Oscillations: Bridging Scales in Collective Behavior
细胞群体中的集体行为由单个细胞内的生化信号网络协调。由于网络的复杂性和我们对动力学参数的有限了解，将这些细胞内网络的动力学与它们控制的群体现象联系起来构成了相当大的挑战。然而，从物理系统中我们知道，集体行为系统中个体成分的行为变化发生在有限数量的定义明确的类中，这些可以用简单的模型来描述。在这里，我们应用这样一种方法来出现集体振荡的社会阿米巴Dictyosteelium discoideum的细胞群体。通过对我们的模型进行直接测试，对单细胞和群体信号动力学进行定量体内测量，我们展示了一个简单的模型如何有效地描述复杂的分子信号网络及其在多个大小和时间尺度上的影响。该模型预测了新的噪声驱动的单细胞和群体水平的信号传导现象，我们然后实验观察。我们的研究结果表明，就像物理系统一样，生物学中的集体行为可能是普遍的，可以用简单的数学模型来描述。
2014-06-25 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.MN
Simulation toolkits at the molecular scale for trans-scale thermal signaling
产热是细胞内生物化学反应释放热量的生理活动。最近的实验研究发现，外部施加的热局部改变细胞内信号，导致细胞形态和信号的全局变化。因此，我们假设在整个空间尺度从分子到个体生物体的调节生物系统功能的产热的不可避免的贡献。检验该假设的一个关键问题，即“跨尺度热信号传导”，存在于分子尺度上，关于通过个体反应释放的热量以及通过何种机制将热量用于细胞功能操作。这篇评论介绍了原子模拟工具包，用于研究热信号过程的机制，在分子尺度上，即使是国家的最先进的实验方法，今天是很难访问。我们认为生物过程和生物分子是细胞中的潜在热源，如ATP/GTP水解和多种生物聚合物复合物的形成和分解。微观放热可以通过导热系数和热传导与介观过程相关。此外，理论模拟，以估计这些生物膜和蛋白质的热性能。最后，展望了该领域未来的研究方向。
2023-02-24 physics.bio-ph q-bio.QM
Protons at the speed of sound: Specific biological signaling from physics
已知pH的局部变化会显著改变蛋白质，特别是酶的状态和活性。因此，由沿着软界面（例如脂质双层）传播的脉冲引起的pH变化将构成生物化学调节和生物信号传导的新物理机制的重要支柱。在这里，我们调查的pH值引起的物理扰动的脂质界面和随后的声传播的物理化学性质。脉冲刺激的局部酸化的脂质单层和传播，在类似的声音，在速度控制的二维压缩性的界面。在界面处直接观察到0.6个单位的瞬时局部pH值变化，速度高达1.4 m/s，这是迄今为止观察到的最快的质子通信。此外，同时传播的机械和电气变化的脂质界面高达8 mN/m和100 mV的检测，暴露这些脉冲的热力学性质。最后，这些脉冲是可激发的，只有超过质子化的阈值，确定的pKa的脂质头基团。当与酶促pH最佳值结合时，所提出的通信可以是非常具体的，从而通过界面处的二维声波为细胞内和细胞间信号传导提供了新的物理基础。
2015-03-17 physics.bio-ph
Influences of Excluded Volume of Molecules on Signaling Processes on Biomembrane
我们利用生物膜上的信号转导过程模型，研究了分子排斥体积对二维表面上生化反应过程的影响。我们进行模拟的2维细胞为基础的模型，它描述了反应和扩散的受体，信号蛋白，靶蛋白，和拥挤的细胞膜上。信号传导蛋白被受体激活，并且这些激活的信号传导蛋白激活靶蛋白，所述靶蛋白自主地从细胞质结合到膜，并且如果被激活则从膜解除结合。如果靶蛋白频繁结合，则膜上分子的体积分数变得如此之大，以至于用于反应和扩散动力学的分子的排除体积不可忽略。我们发现，这种排除体积效应的分子诱导的信号流，定义为靶蛋白的激活频率，如下非平凡的变化。随着靶蛋白结合率的增加，信号流通过以下方式变化：i）单调增加; ii）以钟形曲线增加然后减少;或iii）以S形曲线增加，减少，然后增加。我们进一步证明，排除体积的分子影响整个反应过程中的分层分子分布。特别地，当系统表现出大的信号流时，信号蛋白倾向于围绕受体以形成受体-信号蛋白簇，并且靶蛋白倾向于分布在这样的簇周围。为了解释这些现象，我们分析了受体周围分子局部运动的随机模型。
2013-01-29 nlin.CG physics.bio-ph q-bio.BM
On the physical basis of biological signaling by interface pulses
目前，生物信号被设想为激活和运动的组合，分别由局部分子相互作用和分子扩散触发。然而，我们在这里建议，其他基本的物理机制可能发挥至少同样重要的作用。我们最近已经表明，脂质界面允许声脉冲的激发和传播。在这里，我们表明，这些可逆的扰动可以控制膜包埋酶的活性，而不需要分子运输。因此，它们可以促进遥远的生物实体之间以声速的快速通信，在这里，声速在膜内为1 m/s的数量级。所描述的机制为生物信号传导提供了一个新的物理框架，这与目前占主导地位的教科书的分子方法有着根本的不同。
2018-05-21 physics.bio-ph
Universal thermodynamic bounds on nonequilibrium response with biochemical applications
不同的物理系统的特点是它们对小扰动的反应。在热力学平衡附近，涨落耗散定理提供了一个强有力的理论和实验工具，通过观察自发的平衡涨落来确定响应的性质。本着这种精神，我们在这里得到一个集合的等式和不等式有效的任意远离平衡，约束响应的非平衡稳态的强度的非平衡驱动。我们的工作为表征非平衡响应开辟了新的途径。作为例证，我们展示了我们的研究结果如何合理化两个常见的生化图案的能量需求。
2020-02-10 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Interstitial flow potentiates TGF-$β$/Smad-signaling activity in lung cancer spheroids in a 3D-microfluidic chip
本研究利用3D微流控芯片结合实时成像，证实了间质流能增强外源性TGF-$β$诱导的A549肺癌球体Smad信号传导活性和细胞运动性，为研究肿瘤微环境中的侵袭机制提供了有力工具。
2023-11-23 physics.bio-ph
Theoretical analysis of degradation mechanisms in the formation of morphogen gradients
在多细胞生物体中，组织和器官发育的基本生物学过程由称为形态发生素的各种信号分子控制。已知信号分子浓度分布的空间和时间变化（其通常被称为形态发生梯度）通过以浓度依赖性方式激活特定基因而导致细胞分化。普遍认为形态发生梯度的建立涉及多个生化反应和扩散过程。形成形态发生梯度的关键因素之一是信号分子的降解。我们开发了一种新的理论方法，提供了对降解机制的全面描述。它是基于这样的想法，即降解作为一个有效的潜力，驱动信号分子远离源区域。利用第一次通过过程的方法，明确评估各种降解机制的形态梯度的形成动力学。结果发现，线性降解导致的动态行为的时间指定的形态梯度，线性依赖于从源的距离。这是因为降解产生的有效电位相当强。同时，由于有效势弱得多，非线性降解机制在形态发生剂梯度形成时间中产生二次标度。这些现象的物理化学解释。
2015-04-03 physics.bio-ph
Differentiation of neural-type cells on multi-scale ordered collagen-silica bionanocomposites
细胞对生物物理和生物化学信号作出反应。我们开发了一种由胶原蛋白和二氧化硅颗粒组成的复合丝，该复合丝经修饰以与胶原蛋白相互作用和/或呈现对细胞-基质粘附和信号转导至关重要的层粘连蛋白表位（IKVAV）。这结合了支架和信号传导，并表明胶原组织的局部调节增强了细胞分化。
2020-01-28 physics.bio-ph q-bio.NC
Physical constraints in intracellular signaling: the cost of sending a bit
本文利用信息论和涨落耗散关系，量化了细胞在热噪声下通过不同物理通道传递信息的最小能量代价，并构建相图揭示各通信策略的最优适用条件。
2022-05-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Biological signaling by interfacial sound pulses. A physics approach
生物信号被认为是激活和运输的结合。前者是由局部分子相互作用引发的，后者是分子扩散的结果。然而，通信的其他基本物理原理尚未得到解决。我们最近表明，脂质界面允许声脉冲的激发和传播。在这里，我们证明，这些可逆的扰动可以控制膜嵌入酶的活性，而不需要分子转运。因此，它们允许远距离生物实体（例如受体和酶）之间以声速（在此为膜内1 m/s的量级）快速通信。该机制的报道提供了一个新的物理框架的生物信号。
2016-12-06 physics.bio-ph
Time-correlated forces and biological variability in cell motility
细胞运动是维持生物体存活的最基本的生物过程之一。在这里，我们介绍了一个简单的模型来描述的运动细胞，其中不仅包括时间相关的内力，但也是固有的细胞内的生化过程的生物变异性。这样的模型使我们能够推导出精确的均方位移和有效的时间相关的扩散系数，从非马尔可夫随机模拟得到的数值结果进行比较。此外，我们表明，持续时间的异质性导致非高斯分布，可以得到解析和数值模拟验证。我们的研究结果表明，这样的模型可以用来描述在没有外部信号的情况下获得的分离细胞的实验结果中观察到的行为。
2021-08-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Fundamental limits to collective concentration sensing in cell populations
当细胞通信时，浓度传感的精度得到提高。在这里，我们得出的物理限制，浓度传感的细胞，沟通在短距离内直接交换小分子（acetacrine信号），或在较长的距离，通过分泌和传感扩散信使分子（自分泌信号）。在后一种情况下，我们发现，最佳的细胞间隔可以很大，由于保持通信强度和减少信号互相关之间的权衡。这导致了令人惊讶的结果，即对于足够大的群体，自分泌信号传导允许比阿曲他克林信号传导更精确的感测。我们将我们的结果与来自各种通信细胞类型的数据进行比较。
2017-03-07 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.TO
A Lagrangian model for drifting ecosystems reveals heterogeneity-driven enhancement of marine plankton blooms
海洋浮游生物在碳储存、氧气生产、全球气候和生态系统功能方面发挥着至关重要的作用。浮游生态系统嵌入在一个拉格朗日补丁的水不断移动，拉伸和稀释。这些过程驱动inhomogeneities在一系列尺度上，与综合生态系统的属性的影响，但很难表征。我们提出了一个理论框架，占所有这些方面，跟踪水补丁托管漂流生态系统及其物理，环境和生物化学特征。该模型解决补丁稀释和内部物理混合作为海洋应变和扩散的函数。生态动力学参数化的理想化的营养和浮游植物种群，我们专门捕捉的生化空间变异的传播，代表斑块内的异质性。我们发现，仅取决于水补丁所受到的物理过程，浮游生物生物量响应资源扰动可以变化几倍。这项工作表明，我们在解释和模拟海洋生态系统时必须考虑到这些过程，并提供了一个框架。
2023-01-26 physics.ao-ph physics.bio-ph physics.flu-dyn
