Energetic constraints on filament mediated cell polarization
细胞极化是许多细胞过程的基础，例如分化、迁移和萌芽。许多活细胞，如芽殖酵母和裂殖酵母，使用细胞骨架结构主动将蛋白质运输到膜上的一个位置，并产生高密度的膜结合蛋白质点。然而，热力学约束基于质子的细胞极化仍然未知。我们通过数学建模表明，细胞极化需要细致平衡被打破，我们量化的自由能成本保持极化状态的细胞。我们的研究表明，细致平衡不仅可以通过蛋白质沿着细丝的主动运输来打破，而且还可以通过化学修饰循环来打破，从而允许细致平衡通过蛋白质在细丝、膜和胞质溶胶之间的穿梭来打破。因此，我们的模型表明，细胞极化可以建立通过两个不同的驱动机制，一个基于主动运输和非平衡结合的基础上。此外，该模型预测，驱动绑定过程比基于运输的过程消耗的自由能少几个数量级，以创建相同的膜点。沿着细丝的主动运输可能足以产生膜结合蛋白的极化分布，但是蛋白质本身的额外化学修饰循环对运输细丝上的蛋白质的物理排斥更有效且不太敏感，从而提供了对裂殖酵母中的Pom 1/Tea 1/Tea 4系统和芽殖酵母中的Cdc 42系统的设计原理的深入了解。
2021-04-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Stochastic motility energetics reveals cooperative bacterial swarming in optical tweezers
该研究结合光镊、多粒子追踪与随机热力学框架，表征受限奇异变形杆菌集群的主动运动特性，量化其群游协作的做功与能量耗散，为微生物协作物理原理提供新见解。
2025-06-17 physics.bio-ph
Modular decomposition of protein structure using community detection
随着解决的蛋白质结构数量的增加，对该数据集进行荟萃分析的机会也增加了。已知蛋白质结构由结构域形成;结构和功能亚基通常在蛋白质组中重复。这些结构域通常形成紧凑的球状区域，因此通常容易通过检查识别，但自动将蛋白质片段化为这些紧凑的亚结构的问题在计算上仍然具有挑战性。现有的结构域分类方法集中在寻找保守的蛋白质结构的子区域，而不是寻找跨越整个蛋白质结构的分解。然而，这样的分解将在粗粒化分子动力学，分析蛋白质的拓扑结构，在从头蛋白质设计和拟合电子显微镜图中找到现成的应用。在这里，我们提出了一个工具，用于执行此模块化分解使用的信息地图社区检测算法。蛋白质结构被抽象成一个网络，其中它的氨基酸是节点，并使用一个简单的邻近测试生成的边缘。然后，信息图谱可以用于识别蛋白质的高度内部连接区域。我们对来自蛋白质数据库的4000种不同的蛋白质结构进行了系统的分解。所获得的分解与现有的PFAM序列分类很好地相关，但具有跨越整个蛋白质的优点，具有新结构域的潜力。由社区形成的粗粒度网络也可以用作单链水平上蛋白质拓扑结构的代理;我们证明了将这些蛋白质按其粗粒度网络分组会导致功能显著的分类。
2018-09-18 physics.bio-ph q-bio.BM
Orientation-Dependent Protein Binding at Nanoparticle Interfaces
University College Dublin（都柏林大学学院）；School of Physics, University College Dublin（都柏林大学学院物理学院）；Institute for Discovery, University College Dublin（都柏林大学学院发现研究所）
本文结合粗粒化统一原子模型与分子对接，研究蛋白质在二氧化硅纳米粒子上的吸附行为，通过方向分辨热图分析结合能量和对接分数，揭示蛋白质-纳米粒子结合几何结构，为预测模型和机理研究提供定量支持。
2026-05-15 physics.bio-ph physics.comp-ph
Mechanics, Energetics, Entropy and Kinetics of a Binary Mechanical Model System
本研究构建热力学弹簧建立二元力学模型系统，解决了蛋白质开关与细胞力平衡相关的统计力学未解问题，提出非平衡动力学能量等价等新进展，统一分子马达模型并解释肌肉力学性能，为生物力学提供新视角。
2022-03-14 physics.bio-ph q-bio.CB
Specific interactions of peripheral membrane proteins with lipids: what can molecular simulations show us?
本文综述了利用分子动力学模拟研究外周膜蛋白与脂质特异性相互作用的近期进展，涵盖胞内和胞外蛋白，并讨论了脂质结合位点识别方法、自由能计算及未来方法论改进方向。
2022-02-01 physics.bio-ph
Improved coarse-graining of Markov state models via explicit consideration of statistical uncertainty
马尔可夫状态模型（MSMs）--或离散时间主方程模型--是一种强大的方法来模拟分子系统的结构和功能，如蛋白质。不幸的是，具有足够多的状态以与实验建立定量联系的MSM（即使对于小系统，通常也有数万个状态）通常太复杂而难以理解。在这里，我提出了一个贝叶斯凝聚聚类引擎（BACE）粗粒度的马尔可夫模型，从而降低其复杂性，使他们更容易理解。该算法的一个重要特征是它能够明确地解释有限采样引起的模型参数的统计不确定性。这一进展建立在一些最近的工作，强调在MSM的分析中考虑不确定性的重要性，并提供了显着的优势，现有的粗粒度马尔可夫状态模型的方法。我在这里导出的用于确定哪些状态要合并的封闭形式表达式等价于广义詹森-香农散度，广义詹森-香农散度是信息论中与相对熵相关的一个重要度量。因此，该方法在最小化信息损失方面具有吸引人的信息论解释。该算法的自下而上的性质可能使其特别适合于构建中尺度模型。我还提出了一个非常有效的表达贝叶斯模型比较，可以用来确定最有意义的层次结构的模型从BACE。
2012-09-03 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.data-an
Benchmarking inverse statistical approaches for protein structure and design with exactly solvable models
利用多序列比对（MSA）确定蛋白质结构和功能的逆统计方法是计算生物学中的一个重要工具。然而，到目前为止，推断出的有效Potts哈密顿量与真实蛋白质结构和能量之间的关系的基本假设仍然未经检验。在这里，我们使用晶格蛋白质模型（LP）基准这些逆统计方法。我们在目标LP结构中建立高度稳定序列的MSA，并从这些MSA中推断有效的成对Potts Hamilton。我们发现，推断Potts哈密顿再现许多重要方面的“真正的”LP结构和能量。仔细的分析表明，有效的成对耦合在推断Potts哈密顿不仅取决于本机结构的能量，但也对竞争折叠，特别是，耦合值反映了积极的设计（稳定的天然构象）和消极的设计（不稳定的竞争折叠）。除了提供详细的结构信息，推断的Potts模型作为蛋白质哈密顿设计的新序列能够产生具有所需的折叠，这是不可能使用独立的网站模型的概率很高的全新的序列。这些是显著的结果，因为由于折叠之间的竞争，用于生成MSA的有效LP哈密顿算子不是简单的成对模型。我们的研究结果阐明了逆向方法从序列数据中建模蛋白质的成功原因及其局限性。
2016-11-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Flow-matching -- efficient coarse-graining of molecular dynamics without forces
Freie Universität Berlin（柏林自由大学）；Microsoft Research AI4Science（微软研究院AI4Science）
粗粒度（CG）分子模拟已经成为一个标准的工具，研究分子过程的时间和长度尺度上无法达到全原子模拟。参数化CG力场以匹配全原子模拟主要依赖于力匹配或相对熵最小化，这需要分别来自具有全原子或CG分辨率的昂贵模拟的许多样本。在这里，我们提出了流匹配，这是一种新的CG力场训练方法，它通过利用归一化流（一种生成式深度学习方法）结合了两种方法的优点。流匹配首先训练归一化流以表示CG概率密度，这相当于在不需要迭代CG模拟的情况下最小化相对熵。随后，该流程根据学习的分布生成样本和力，以便经由力匹配来训练期望的CG自由能模型。即使不需要来自全原子模拟的力，流匹配在数据效率方面也优于经典力匹配一个数量级，并且产生可以捕获小蛋白质折叠和展开转变的CG模型。
2023-02-05 cs.LG physics.bio-ph physics.chem-ph
An elastic-network based local molecular field analysis of zinc-finger proteins
我们研究了两个设计的和一个天然的锌指肽，每个与Cys 2 His 2（CCHH）型的金属结合基序。在我们已经开发的方法中，我们描述的Zn（II）-CCHH金属残基簇外的蛋白质和溶剂的作用由广义谐波约束所代表的分子场。调整电场强度，以再现金属与经验势的参考全原子模拟中获得的簇的结合能分布。二次场使我们能够分析研究结合位点上的蛋白质限制在其本征模。检查这些本征模表明，与实验观察一致，CCHH簇中第一个组氨酸（H）在金属结合中的重要性。此外，对应于这些模式的本征值也表明，所设计的蛋白质与金属形成更紧密的复合物。我们发现，大量的蛋白质和溶剂的反应往往不稳定的金属结合，强调有利的能量的金属残基相互作用是必要的，以驱动折叠在这个系统中。的散装蛋白质和溶剂的本地字段的响应的表示允许我们使用量子化学方法，这里使用半经验的哈密顿量的金属残基集群进行蒙特卡罗模拟。对于从该模拟中取样的构型，我们使用密度泛函理论研究了用Fe（II）、Co（II）和Ni（II）取代Zn（II）的自由能。计算的选择性是在公平的协议与实验结果。
2011-04-07 physics.bio-ph
Computational studies of biomembrane systems: Theoretical considerations, simulation models, and applications
本章总结了几种方法相结合的理论，模拟和实验，旨在更好地理解的现象，在脂质双层和膜蛋白系统，涵盖的主题，如脂筏，膜介导的相互作用，跨膜蛋白之间的吸引力，并聚集在生物膜导致大型超结构，如绿色植物的捕光复合物。经过一般性的概述，理论的考虑和连续理论的脂膜，我们介绍了不同的选择模拟生物膜系统，解决的问题，如：什么可以从通用模型？什么时候超越它们才是有利的呢？系统粗粒化和准原子粗粒化模型在保证一定化学特性方面有什么优点和挑战？
2014-12-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
EXCOGITO, an extensible coarse-graining toolbox for the investigation of biomolecules by means of low-resolution representation
本文介绍开源可扩展粗粒化工具箱EXCOGITO，其以映射熵为核心，可处理全原子轨迹、优化映射并关联低分辨率表示与分子系统特征。
2024-06-12 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech 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
A simple theory of protein folding kinetics
我们提出了一个简单的蛋白质折叠动力学模型，捕捉最近在全原子模拟中看到的关键定性元素。这个理论的目标是作为一个简单的形式主义，以获得更深入的了解在详细的模拟中看到的物理特性，以及作为一个模型，以方便地比较为什么这些模拟表明一个不同的动力学机制比以前的简单模型。具体来说，我们发现，非本地的接触起着关键作用，在确定的机制，这可以显着改变的能量强度的非本地的相互作用。对于蛋白质样的非天然相互作用，我们的模型发现，天然状态是一个动力学枢纽，直接连接相关的相互作用的强度折叠动力学的性质。
2010-07-02 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Temperature transferable Machine Learned Coarse Grained model for proteins
Freie Universität Berlin（柏林自由大学）；Rice University（莱斯大学）
提出一种热力学感知的温度可迁移MLCG框架，将粗粒化势能分解为能量和熵成分，通过精确热力学关系实现跨温度外推，在Chignolin蛋白上验证了温度依赖性的准确复现。
2026-06-15 physics.bio-ph q-bio.BM stat.ML
Quantum Mechanics of Proteins in Explicit Water: The Role of Plasmon-Like Solute-Solvent Interactions
量子力学范德华色散相互作用对蛋白质内和蛋白质-水相互作用都起着至关重要的作用-蛋白质在水溶液中的结构和动力学的两个主要驱动力。通常情况下，这些相互作用只通过经典力场中的成对势项进行唯象处理。在这里，我们使用一个明确的量子力学方法的基础上密度泛函紧结合与多体分散形式主义，这使我们能够证明出乎意料的相关性的多体字符的分散相互作用的蛋白质能量和蛋白质-水的相互作用。与通常采用的成对方法相反，多体效应显著降低了在不存在水的情况下天然状态的相对稳定性。在水性环境中，蛋白质-水范德华相互作用的集体特征抵消了这种效应并稳定了天然构象和过渡态。这种稳定性是由于蛋白质-水分散体相互作用的高度离域性和集体性而产生的，这表明通过水性环境的长程电子相关性具有显著的持久性。我们的研究结果举例说明蛋白质形成$β$ -片，发夹和螺旋的原型展示，强调等离子体样溶质-溶剂相互作用在生物分子系统中的关键作用。
2019-10-21 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Role of hydration and intramolecular interactions in the helix-coil transition and helix-helix assembly in a deca-alanine peptide
对于模型十-丙氨酸肽，腔（理想疏水性）对水合的贡献有利于螺旋到螺旋转变中的螺旋状态和两个螺旋组装中的成对螺旋束。有吸引力的蛋白质-溶剂相互作用的能量贡献被分离成在第一水合壳层中与溶剂的相互作用产生的短程部分和剩余的长程部分。在螺旋-卷曲转变中，短程有吸引力的蛋白质-溶剂相互作用超过疏水水合作用，并有利于未折叠的卷曲状态。对折叠效应的分析表明，肽骨架的有利水合作用有利于未折叠状态。蛋白质分子内相互作用有利于螺旋状态，并在折叠中起决定性作用。在配对的两个螺旋，空腔的贡献超过了短程有吸引力的蛋白质-水的相互作用。然而，远距离的蛋白质-溶剂吸引相互作用可以增强或逆转这一趋势，具体取决于螺旋的相互方向。在螺旋-螺旋组装中，由吸引蛋白质-溶剂相互作用的变化引起的焓变化有利于拆卸。在螺旋配对以及，有利的蛋白质分子内相互作用被发现是一样重要的水合作用。
2015-08-23 physics.bio-ph physics.chem-ph
Bilayer-thickness-mediated interactions between integral membrane proteins
完整膜蛋白和周围脂质双层之间的疏水厚度失配可产生脂质双层厚度变形。实验和理论已经表明，蛋白质诱导的脂质双层厚度变形可以产生能量上有利的双层介导的整合膜蛋白之间的相互作用，以及整合膜蛋白大规模组织成细胞膜中的蛋白质簇。在膜的连续弹性理论中，蛋白质引起的双层厚度变形的能量成本可以通过考虑双层疏水核心的压缩和膨胀、膜张力和双层弯曲来捕获，从而导致描述给定的一组双层-蛋白质边界条件的脂质双层的形状的双调和平衡方程。在这里，我们开发了一个相结合的分析和数值方法与蛋白质诱导的脂质双层变形的平衡弹性方程的解决方案。我们的方法允许精确预测厚度介导的蛋白质相互作用的任意蛋白质对称性在任意蛋白质分离和相对取向。我们提供了精确的解析解圆柱形的完整的膜蛋白质与恒定和变化的疏水厚度，并开发微扰的非圆柱形蛋白质形状的解析解。我们补充这些解析解，并评估其准确性，通过开发有限元和有限差分数值解方案。两者合计，这里提出的工作到位的分析和数值框架，允许计算的双层介导的弹性相互作用的完整的膜蛋白的结构生物学所建议的复杂的蛋白质形状和在小的蛋白质分离最相关的拥挤的膜环境提供的活细胞之间的相互作用。
2016-11-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Beyond uniform screening: electrostatic heterogeneity dictates solution structure of complex macromolecules
Lund University（隆德大学）；University of Copenhagen（哥本哈根大学）；CNR Institute of Complex Systems, Uos Sapienza（意大利国家研究委员会复杂系统研究所，萨皮恩扎小组）；Department of Physics, Sapienza University of Rome（罗马萨皮恩扎大学物理系）；Institute of Theoretical Physics, Faculty of Physics, University of Warsaw（华沙大学物理学院理论物理研究所）；Institute of Physical Chemistry, Polish Academy of Sciences（波兰科学院物理化学研究所）；LINXS Institute of Advanced Neutron and X-ray Science, Lund University（隆德大学LINXS高级中子和X射线科学研究所）
本文通过多尺度粗粒化策略研究单克隆抗体的溶液结构，发现电荷异质性对结构和热力学性质有显著影响，传统方法无法准确捕捉这一特性。
2026-01-13 cond-mat.soft physics.bio-ph
Unraveling Internal Friction in a Coarse-Grained Protein Model
Universidad Nacional de Educación a Distancia（西班牙国家远程教育大学）；Universidad Autónoma de Madrid（马德里自治大学）
通过对比全原子分子动力学，发现粗粒化模型中必须包含内摩擦才能准确再现蛋白质动力学，并提出自平均参数优化方法。
2026-06-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Folding Rate Optimization Promotes Frustrated Interactions in Entangled Protein Structures
蛋白质的许多天然结构容纳复杂的拓扑基序，如结，套索和其他几何缠结。蛋白质如何在这种拓扑障碍存在的情况下快速折叠是结构生物学中一个有争议的问题。最近，基于经验观察，即纠缠中涉及的环通过氨基酸之间的弱相互作用在其极值处稳定，提出了能量挫折可能是避免拓扑挫折的机制的假设。为了验证这个想法，我们使用了一个玩具格子模型，将蛋白质折叠成两个几乎相同的结构，一个纠缠，一个不纠缠。正如预期的那样，当随机序列折叠成纠缠结构时，折叠时间更长。这在通过优化折叠时间模拟的进化压力下也成立。事实证明，纠缠结构中的优化蛋白质序列实际上是以纠缠环闭合处的受抑相互作用为特征的。这种现象在不存在纠缠的控制情况下增强得少得多。我们的研究结果，这是在协议与实验观察，证实了这样的想法，即进化的压力形状的折叠漏斗，以避免拓扑和动力学陷阱。
2019-11-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Renormalization of myoglobin-ligand binding energetics by quantum many-body effects
我们进行了第一性原理的原子研究的配体结合和歧视的肌红蛋白的电子机制。电子相关效应考虑到使用目前可用的最先进的方法之一，即线性标度密度泛函理论（DFT）的方法，其中本地化的铁3d电子的治疗进一步细化使用动态平均场论（DMFT）。这种方法的结合明确地解释了三维电子的动力学和多参考量子物理学，如原子价和自旋涨落，同时用密度泛函理论处理了相当大比例的蛋白质（超过1000个原子）。计算的电子结构的肌红蛋白复合物和Fe-O2键的性质进行验证对实验光谱观测。我们阐明并解决了一个长期存在的问题，呼吸过程的量子力学描述，即DFT计算预测O2和CO结合之间的强烈不平衡，有利于后者在很大程度上非物理。我们表明，明确列入许多身体的影响引起的Hund的耦合机制的结果在正确的预测类似的结合能为氧和碳monoxymyoglobin。
2014-04-22 cond-mat.str-el physics.bio-ph physics.chem-ph
Role of salt valency in the switch of H-NS proteins between DNA-bridging and DNA-stiffening modes
本工作通过粗粒度模型进行计算机模拟，研究H-NS蛋白和细菌基因组DNA的相互作用。该模型是专门开发的，以研究H-NS蛋白质从DNA-硬化到DNA-桥接模式的转换，这在向缓冲液中加入多价阳离子后已被反复观察到，但仍不清楚。解开相应的机制是更加关键的，因为H-NS蛋白以及其他类核蛋白的调节特性与它们的DNA结合特性有关。这里报道的模拟支持一种机制，根据该机制，多价阳离子的主要作用在于与H-NS/H-NS相互作用相比降低H-NS/DNA相互作用的强度，后者变得相对于前者在缓冲液的阳离子的有效价态的一定阈值以上在能量上有利。在阈值以下，H-NS二聚体形成细丝，其沿着DNA分子伸展，但在桥接基因组上遥远的DNA位点（DNA硬化模式）方面非常低效。相比之下，仅在阈值以上，H-NS二聚体形成3维簇，其能够连接远离基因组观点的DNA位点（DNA桥接模式）。该模型提供了明确的理论基础的实验观察，这两种模式之间的切换是一个阈值效应和H-NS二聚体的能力，以形成更高的顺序低聚物是至关重要的，他们的桥接能力。
2018-03-26 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.GN
Emergent memory and kinetic hysteresis in strongly driven networks
随机网络动力学通常被认为是无记忆的，包括节点之间的瞬时转移中断的长时间停留，这样的马尔可夫网络代表了化学反应，基因表达，分子机器，疾病传播，蛋白质动力学，能量景观扩散，表观遗传学等许多其他的粗粒度范例。然而，一旦跃迁不再像实验中经常观察到的那样短到可以忽略不计，动力学就会产生记忆。也就是说，状态变化不仅取决于当前状态，而且取决于过去。在这里，我们建立了第一个连续动态映射到一个网络，揭示了根深蒂固的动力学对称性和不可预见的动力学滞后的一致性-耗散保持-映射。这些对称性强加了三个独立的波动源，决定了“记忆的味道”。连续轨迹的向前/向后时间粗粒化之间的滞后意味着在存在记忆的情况下活性分子过程的热力学的新范式，即，超越局部细致平衡的假设。我们的研究结果提供了一个新的理解波动的分子机器的操作，以及参与细胞粘附的捕捉键。
2021-10-11 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
Ligand-protein interactions in lysozyme investigated through a dual-resolution model
在相关的长度和时间尺度上对生物大分子进行完全原子化的建模通常是繁琐的，甚至是不可取的，无论是在所需的计算工作量方面，还是在后验分析方面。这一困难可以通过使用多分辨率模型来克服，在多分辨率模型中，同一系统的不同区域以不同的详细程度同时描述。在酶中，计算昂贵的原子细节在活性位点的建模中至关重要，以便捕获例如配体结合的化学微妙过程。相比之下，蛋白质的其余部分的重要但更集体的性质可以用更粗略的描述来再现。在目前的工作中，我们证明了这种方法的有效性，通过计算鸡蛋清溶菌酶（HEWL）与抑制剂二-N-乙酰壳三糖的结合自由能。特别注意的是，提出的映射的影响，即原子和粗粒度的残留物的选择，结合自由能。它示出，尽管小的变化的结合自由能相对于活性位点的分辨率，来自不同的能量项（如静电和范德华相互作用）的单独贡献表现出更强的依赖映射，从而指向中间分辨率的最佳水平的存在。
2020-02-12 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
