Viral genome structures are optimal for capsid assembly
了解病毒衣壳如何围绕其核酸（NA）基因组组装可以促进阻断病毒繁殖或重新设计衣壳用于基因治疗应用的努力。我们开发了一个粗粒度模型的衣壳蛋白和NA，我们调查组装动力学和热力学。与最近的理论模型相反，我们发现衣壳自发地“过度充电”;即，NA的负电荷超过衣壳上的正电荷。当应用于特定病毒时，最佳NA长度与天然基因组长度紧密对应。基于线性聚电解质而不是碱基配对的NA的计算低估了最佳长度，证明了NA结构对衣壳组装的重要性。这些结果表明，静电，排除的体积，NA三级结构是足以预测组装热力学和病毒选择性地将其基因组NA的能力可以解释，至少部分地，在热力学的基础上。
2013-05-15 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Role of dynamic capsomere supply for viral capsid self-assembly
许多病毒依靠其衣壳的自组装来保护和运输其基因组物质。对于许多病毒系统，特别是对于导致持续感染的人类病毒如乙型肝炎病毒、腺病毒或人类免疫缺陷病毒，衣壳在宿主细胞的细胞质中连续产生，而完成的衣壳离开细胞进行新一轮感染。在这里，我们使用粗粒度的布朗动力学模拟一个通用的补丁粒子模型来阐明空的T1二十面体病毒衣壳的可逆自组装的动态供应的壳粒的作用。我们发现，对于高速率的衣壳流入只有一个狭窄的范围内的键强度存在的连续衣壳生产的稳定状态是可能的。对于小于和大于该最佳值的键强度，反应体积分别被小的和大的中间体所拥挤。对于较低速率的衣壳流入，存在更宽范围的结合强度，建立了连续衣壳生产的稳定状态，尽管现在衣壳的生产速率较小。因此，我们的模拟表明，在体外条件下典型的病毒衣壳组装的最佳结合强度的重要性可以通过在细胞环境中的衣壳的动态流入而降低。
2015-01-31 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.SC
Osmotically-induced rupture of viral capsids
本文提出基于Flory理论的热力学模型结合胡克弹性与经典成核理论，研究解离离子量对病毒衣壳机械稳定性的影响，揭示了渗透冲击下衣壳破裂或保持稳定的条件。
2024-09-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Measurements of the self-assembly kinetics of individual viral capsids around their RNA genome
病毒衣壳的形成是自组装的典型例子。病毒衣壳是围绕病毒基因组的高度有序的蛋白质外壳。许多正义RNA病毒的衣壳在体外由外壳蛋白和RNA的混合物自发组装而成。考虑到它们的结构复杂性，组装的适当衣壳的高产率是显着的：180个相同的蛋白质必须排列成三个不同的局部构型以形成三角形数为3（T = 3）的二十面体衣壳。尽管从结构研究和模拟中获得了大量数据，但即使是关于这些结构如何组装的最基本问题也仍未得到解决。实验还没有确定组装途径是否涉及聚集或成核，或者RNA如何控制这一过程。在这里，我们使用干涉散射显微镜直接观察在体外组装动力学的个别，未标记的衣壳的噬菌体MS2。通过测量从1 ms到900 s的时间尺度上有多少外壳蛋白与单个MS2 RNA链结合，我们发现组装的开始在时间上分布很广，随后结合蛋白的数量迅速增加。这些测量为成核和生长途径提供了强有力的证据。我们还发现，当第一个核生长完成之前，同一RNA上出现多个核时，畸形结构就会组装起来。我们的测量揭示了RNA周围病毒衣壳的复杂组装途径的定量细节，包括成核阈值，成核时间，生长时间和限制的临界核大小。这些结果可能为工程合成衣壳或破坏致病病毒组装的策略提供信息。
2018-08-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Theory of morphological transformation of viral capsid shells during maturation process
在Landau-Ginzburg形式主义的框架下，我们提出了一个病毒衣壳壳形态学转化的最小唯象模型。转化发生在病毒成熟过程中，使病毒具有感染性。HK 97噬菌体和病毒的保护性蛋白质壳中具有相似的形态学变化的例子说明了该理论。这种转变是由两个序参量驱动的结构相变。第一个序参量描述了蛋白质壳的各向同性膨胀，而第二个序参量负责形状对称性破缺和由此产生的壳小面化。群论分析和由此产生的热力学模型，使人们有可能选择的参数之间的二十面体壳刻面经常观察到的病毒衣壳和观察到的十二面体的细小病毒家族的病毒区分。计算的相图说明了病毒形态转化的不连续性，并显示了两个定性不同的路径中的两个主要的体外和体内实验的外部热力学参数的函数的转换。
2015-08-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
RNA-like Polyelectrolyte in a Viral Capsid: Molecular Dynamics with Explicit Electrostatic Interactions
University of Western Ontario（韦仕敦大学）
本研究采用含显式离子、水和全库仑静电的分子动力学模拟，揭示病毒衣壳内类RNA聚电解质的组织机制，验证平均场近似对径向组织的适用性，同时发现离散分子细节带来的偏差及盐浓度对平衡时间的影响。
2026-08-31 physics.bio-ph
Landau Theory and the Emergence of Chirality in Viral Capsids
我们提出了一个广义的Landau-Brazovskii理论，用于手性分子在球面上的固化。随着球体半径的增加，人们遇到第一个区间，在那里出现了强大的非手性密度调制与二十面体对称性通过一阶跃。接下来，我们会遇到脆弱但稳定的二十面体结构仍然可以构造的区间，但只能通过多重不可约表示的叠加来构造。手性二十面体结构通过连续或非常弱的一级跃迁出现。在这些参数区间之外，二十面体对称性沿着三重轴或五重轴被破坏。理论的预测与最近的数值模拟进行了比较。
2016-06-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Elasticity Theory and Shape Transitions of Viral Shells
最近，连续弹性理论已被应用于解释二十面体病毒衣壳的形状转变-单蛋白质厚的结晶壳-从球形到屈曲/刻面，因为它们的半径增加通过一个临界值确定的竞争之间的拉伸和弯曲能量的一个封闭的二维弹性网络。在目前的工作中，我们推广这种方法与非二十面体对称的衣壳，例如，球圆柱壳和圆锥壳。一个关键的新物理成分是非零自发曲率所起的作用。另一个是与特殊的方式，其中的能量的12个拓扑所需的五重网站取决于背景的局部曲率的壳，他们嵌入。这些贡献的系统评价导致的形状相图中，观察到从二十面体的spherocylinocyanate衣壳作为一个函数的拉伸弯曲能量和自发曲率的2D蛋白质网络的比率的过渡。我们发现，从二十面体到球圆柱对称的过渡是连续的或弱的一阶附近的屈曲，导致广泛的形状退化。这些结果进行了讨论的背景下，实验观察到的各种病毒衣壳的形状的变化。
2005-06-15 physics.bio-ph
Dynamics of Self-Assembly of Model Viral Capsids in the Presence of a Fluctuating Membrane
一个粗粒度的计算模型被用来研究波动的流体膜的动态补丁粒子组装成病毒衣壳样核心的影响。从广泛的参数范围内的模拟结果，显示不同的相互作用强度，膜刚度和膜粘度的影响。此外，水动力相互作用的影响进行了研究。对膜的吸引可以促进组装，包括对于在本体中不发生的子单元相互作用强度，并且还可以减少单核组装时间。膜出芽率强烈增加的流体动力学相互作用。膜的变形速率在确定有限时间产率中是重要的。更高的速率可以减少组装的熵损失，并有助于将子单元朝向彼此引导，但也可能阻止部分芯完成。为了增加亚单元相互作用强度，确定了三种具有不同膜效应的制度。
2013-06-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
The Spanning Tree Model and the Assembly Kinetics of RNA Viruses
单链（ss）RNA病毒在含有病毒RNA基因组分子和病毒衣壳蛋白的溶液中自发地自组装。空衣壳的自组装可以根据相当简单的模型的自由能最小化来理解。然而，在感染细胞的细胞质中完整病毒颗粒的自组装过程中，病毒基因组分子必须从大量非常相似的宿主信使RNA分子中选择。已知组装过程采取衣壳蛋白在病毒RNA分子上的优先异质成核的形式（“选择性成核”）。最近，提出了一个简单的数学模型的小ssRNA病毒的选择性成核。在本文中，我们提出了一个统计物理分析的热平衡和动力学性质的模型，并表明它可以占，至少定性地说，许多观察的小ssRNA病毒的自组装。
2021-08-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Orientational Phase Transitions and the Assembly of Viral Capsids
在病毒外壳组装的背景下，我们提出了手性分子在球面上固化的广义朗道-布拉佐夫斯基自由能。我们遇到两种类型的二十面体凝固转变。第一种类型是从均匀到二十面体状态的常规一级相变。它可以用一个偶数$l$的二十面体球谐函数来描述。自由能中的手征赝标项产生具有手征特征的次级项，但不影响跃迁的热力学性质。第二种类型，与二十面体球谐函数与奇数$l$，是反常的。纯奇数$l$二十面体态是不稳定的，但如果与相邻的$l+1$二十面体球谐混合，则恢复稳定性，由非线性项产生。这与朗道理论的原则相冲突，即破缺跃迁的特征在于只有一个\textit{single}不可约表示的对称群的一致相，我们认为，这一原则应删除朗道理论。手性项现在直接影响跃迁，因为它提升了两个异构混合$l$二十面体态之间的简并度。只有在有限的参数范围内才有可能实现直接过渡。在这个范围之外，非二十面体状态介入。对于由$l=15$主导的衣壳组装的重要情况，发现介入状态是基于八面体对称性。
2017-01-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Liquid-liquid phase separation enables highly selective viral genome packaging
针对病毒组装过程如何在大量细胞核酸中选择性包装自身基因组的问题，本文构建凝聚物耦合组装与包装的动力学模型，发现凝聚物通过偏好性分配病毒组分提升组装效率与选择性，为病毒组装机制提供新见解并为人工封装应用提供参考。
2025-08-24 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Measuring the force ejecting DNA from phage
我们讨论了如何可以建立一个平衡之间的力量，以弹出DNA从病毒衣壳和阻力进入一个胶体悬浮液，模仿宿主细胞的细胞质。由于病毒基因组（双链DNA）强烈弯曲并挤在自身上，衣壳中储存的能量产生了弹射力。阻力与主体溶液中胶体颗粒施加的渗透压有关。事实上，最近的实验工作已经证明，通过增加外部渗透压可以逐渐限制喷射的程度;在足够高的压力下，喷射被完全抑制。我们在这里概述了一个理论分析，允许通过检查力和压力之间的不同关系的内部（衣壳）压力的测定衣壳内外，使用实验测得的力平衡的位置。
2004-03-09 physics.bio-ph
Capstan friction model for DNA ejection from bacteriophages
噬菌体通过附着在细胞外膜上并将其DNA注入细胞内来感染细胞。然后噬菌体DNA被细胞的转录机器转录。DNA可以从噬菌体衣壳转移到细胞内的许多物理机制已经被确定。大多数病毒似乎利用病毒衣壳内压实的DNA的弹性和静电势能驱动的快速喷射，至少用于启动感染。DNA从λ噬菌体衣壳易位的速度已被测量为在整个事件持续时间内弹出长度的函数。这里提出了一个力学模型，能够解释观察到的出口速度对喷射长度的依赖性，并且这也与病毒衣壳内DNA的几何排列的公认图片一致。
2013-01-09 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.SC
Why large icosahedral viruses need scaffolding proteins: The interplay of Gaussian curvature and disclination interactions
虽然小的单链病毒外壳自发地使它们的基因组发生变性，但许多大型病毒，如疱疹病毒或传染性法氏囊病病毒（IBDV），通常需要由支架蛋白或内核组成的模板。尽管自然界中大型病毒的增殖，但数百或数千个蛋白质组装形成具有二十面体序（IO）的结构的机制是完全未知的。使用连续弹性理论，我们研究了大的病毒壳（衣壳）的生长，并表明，一个非特异性的模板不仅选择半径的衣壳，但导致错误的蛋白质亚基组装成衣壳与通用IO。我们证明，作为一个球冠的增长，有一个深的潜在的位置的向错，后来在组装过程中将成为一个二十面体的顶点。此外，我们引入了一个极小模型，并在非平衡条件下模拟了病毒壳在模板周围的组装，发现连续弹性理论的结果和数值模拟之间的完美匹配。除了解释现有的实验结果，我们提供了一些新的预测。球形晶体中的其他问题的影响也进行了讨论。
2018-09-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
Virus Assembly Pathways inside a Host Cell
简单的RNA病毒自发地自我组装，并将其基因组封装到称为衣壳的外壳中。该过程主要由衣壳蛋白上的正电荷和基因组上的负电荷之间的吸引静电相互作用驱动。尽管它的重要性和几十年的深入研究，病毒如何选择和包装其天然RNA在宿主细胞质的拥挤环境中，在大量的非病毒RNA和其他阴离子聚合物的存在下，仍然是一个谜。在本文中，我们进行了一系列的模拟，以监测病毒外壳的生长，并找到货物外壳蛋白相互作用可以影响病毒外壳的结构和稳定性的机制。我们表明，外壳蛋白亚基可以组装在一个球状核酸核心周围形成非二十面体笼，这是最近观察到的装配实验涉及小片段的RNA。我们发现，由此产生的笼应变，可以很容易地分裂成碎片沿应力线。这表明，如果较大的野生型基因组变得可用，尽管存在无数的非病毒RNA，这种亚稳态非二十面体中间体可以容易地重新组装成稳定的天然二十面体壳。
2022-02-20 physics.bio-ph
DNA heats up : Energetics of genome ejection from phage revealed by isothermal titration calorimetry
已知大多数噬菌体在受体结合时以基本上自发的方式将其双链DNA注入细菌。这种从完整病毒体到空病毒衣壳加上释放的DNA的下坡热力学过程是通过基因组主动包装到衣壳中期间储存的能量而实现的。到目前为止，使用单分子或渗透抑制技术只能间接测量这种能量。在本文中，我们描述了第一次使用等温滴定量热法直接测量的热释放（或等效的焓）在DNA弹射从噬菌体λ，在溶液中由溶解的受体触发。定量分析的结果导致识别与DNA弹射相关的热力学决定因素。所获得的值被认为是与以前预测的分析模型和数值模拟相一致。此外，结果证实了DNA水合作用在病毒衣壳基因组限制的能量学中的作用。
2010-01-06 physics.bio-ph q-bio.SC
Effects of Rim Fluctuations in Classical Nucleation Theory of Virus Capsids
University of California, Riverside（加州大学河滨分校）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Institut de Physique Théorique, CNRS, CEA, Université Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学理论物理研究所）；Great Bay University（大湾区大学）
研究通过引入壳体边缘热波动扩展经典成核理论，揭示波动对病毒壳体成核和生长的影响机制。
2026-03-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
RNA Base Pairing Determines the Conformations of RNA Inside Spherical Viruses
许多简单的RNA病毒用一种称为衣壳的蛋白质外壳包裹着它们的遗传物质。虽然大多数病毒的衣壳结构都有很好的特征，但壳内RNA的结构及其影响因素仍然知之甚少。我们研究了碱基配对对RNA构象的影响，发现它经历了一个肿胀的线圈小球连续过渡作为配对相互作用的强度的函数。我们还观察到一阶转换和扭结作为RNA长度的函数。所有这些转变都可以解释在病毒外壳内观察到的不同RNA谱。
2017-11-04 physics.bio-ph q-bio.BM
Molecular dynamics characterization of the free and encapsidated RNA2 of CCMV with the oxRNA model
本文利用 oxRNA2 粗粒化分子动力学模拟和多尺度方法，系统表征了 CCMV RNA2 在自由折叠态与衣壳内构象差异，揭示衣壳内长程基序和假结的形成，并阐明 N 端尾部在衣壳静电建模中的关键作用。
2024-08-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
How a Virus Circumvents Energy Barriers to Form Symmetric Shells
以往的自组装实验在一个二十面体的模式植物病毒已经表明，在生理条件下，衣壳蛋白最初结合到基因组，通过一个envelope机制，并形成一个无序状态的核蛋白复合物，这就提出了问题，病毒粒子是如何组装成一个高度有序的结构在宿主细胞。使用小角X射线散射，我们发现，在生理条件下，在衣壳蛋白浓度增加时，发生无序-有序过渡。我们的冷冻透射电子显微镜显示，即使在pH 7.5的封闭的球形壳含有体外转录的病毒RNA，与以前的观察结果形成鲜明对比。我们使用蒙特卡罗模拟来解释这种无序-有序的转变，并发现，随着壳的生长，无序的中间体的结构，其中五聚体的分布不属于二十面体的子群变得非常不利的能量，帽可以很容易地解离和重新组装，克服形成完美的二十面体壳的能量障碍。此外，我们监测的条件下，成核和生长的衣壳的生长是占主导地位的途径，并表明，在两个england和成核和生长途径的无序-有序转变的关键在于弹性能的强度相比，在系统中的其他力量，包括蛋白质-蛋白质相互作用和化学势的自由亚基。我们的发现至少部分解释了为什么具有二十面体有序结构的完美病毒体在不同的条件下形成，包括生理条件。
2020-03-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Learning Parameterized Nonlinear Elasticity on Curved Surfaces
University of California Riverside（加州大学河滨分校）
本文提出基于物理的神经网络，用于在曲面上学习参数化非线性弹性，通过损失函数直接强制 governing equations 和边界条件，实现连续弹性平衡家族的表示，展示了在曲面弹性中的可扩展框架。
2026-04-14 cs.CE physics.bio-ph
