Mechanical factors affecting the mobility of membrane proteins
膜蛋白的迁移性控制着许多生物学功能。Saffman和Delbrück模型在膜蛋白扩散中的应用并不能解释所有的实验测量。这些差异引发了大量关于力学因素在流动性中作用的研究。在对Saffman和Delbrück模型和一些关键实验进行简短回顾之后，我们将探索各种方法来整合不同力学因素的影响。我们的方法侧重于蛋白质与膜的耦合，这是建模中的核心元素。我们提出了一个一般的，极化子样的模型，其最近的应用程序的曲率敏感蛋白质的流动性，其各种扩展到其他耦合，可能是相关的在未来的实验。
2018-10-23 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Statistical-mechanical lattice models for protein-DNA binding in chromatin
蛋白质-DNA结合的统计力学晶格模型被很好地建立，作为描述用纯化的DNA和蛋白质组分在体外测量的复杂配体结合平衡的方法。最近，一个新的应用领域已经开辟了这种方法，因为它已经成为可能的实验量化基因组范围内的蛋白质占位的DNA序列。特别是，真核基因组由组蛋白组成称为染色质的核蛋白复合物已被认为是控制转录因子进入DNA序列的关键参数。必须开发新的方法来获得统计力学晶格描述染色质相关的蛋白质-DNA相互作用。在这里，我们提出了在染色质中组蛋白-DNA相互作用的晶格模型的理论框架，并研究了其他染色体蛋白和转录因子的（竞争性）DNA结合。这些结果对于基因表达调控的定量模型有许多应用。
2010-04-30 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.GN
Ultrafast solvation dynamics at internal site of staphylococcal nuclease investigated by site-directed mutagenesis
溶剂化对蛋白质活性是必不可少的。为了研究蛋白质的内溶剂化，采用定点突变技术。将色氨酸作为内源性荧光探针插入蛋白质分子内部，用于超快光谱研究。在这里，我们回顾了这一独特的蛋白质动力学研究方法。介绍了蛋白质溶剂化、定点突变、蛋白质稳定性和性质以及光谱学方法的研究进展。然后，我们提出了时间分辨光谱动力学的活性位点的洞穴内的溶剂化动力学。这些研究是在一种球状蛋白，葡萄球菌核酸酶上进行的。洞穴内部的溶剂化现象显示出明显的局部环境特征。这些溶剂化行为与酶活性直接相关。
2014-12-09 physics.bio-ph q-bio.BM
Mobility of bacterial protein Hfq on dsDNA; Role of C-terminus mediated transient binding
蛋白质的流动性是生命机制的基础。在这里，我们已经调查了DNA结合的影响，结合DNA的内部运动的细菌Hfq主调节缺乏其淀粉样蛋白C-末端结构域。Hfq是一种最丰富的类核相关蛋白，它能塑造细菌染色体，并参与核酸代谢的几个方面。荧光显微镜已被用于跟踪双链DNA上缺乏Hfq突变形式的C-末端结构域，其通过限制到矩形纳米流体通道而被拉伸。相对于野生型变体，突变体的移动性被强烈地加速。此外，它显示出对DNA内部运动的反向依赖性，因为较慢的运动导致较慢的蛋白质扩散。结果表明，在控制类核相关蛋白的流动性的DNA内部运动的微妙作用，特别是，瞬时结合和移动DNA链的方式的重要性。
2021-12-06 physics.bio-ph
Green function of correlated genes in a minimal mechanical model of protein evolution
蛋白质的功能来自于其氨基酸的协同相互作用和重排，它们表现出大尺度的动力学模式。在蛋白质序列中也发现了长程相关性，这激发了对所观察到的遗传和动态协同性之间的物理联系的研究。我们在这里概述了一个简化的蛋白质理论，它涉及到序列的相关性的物理相互作用和机械功能的出现。我们的蛋白质被建模为一个强耦合的氨基酸网络，其相互作用和运动被捕获的机械传播，格林函数。传播子描述了基因如何决定氨基酸的连接性，从而决定力的传递。突变将局部扰动引入传播子，传播子散射力场。当一条这样的扰动带将蛋白质分成子域时，功能的出现通过拓扑转变来表现。我们发现上位性-基因突变之间的相互作用-与格林函数的非线性有关，格林函数可以解释为多个散射路径的总和。我们应用这个机械框架来模拟蛋白质进化，并观察到长程上位性，这有利于集体功能模式。
2018-05-01 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.QM
Mechanical resistance in unstructured proteins
对与神经退行性疾病相关的非结构化蛋白质进行的单分子拉伸实验测得的断裂力与稳定折叠蛋白质的断裂力相当。为了研究这种意想不到的力抵抗的结构机制，我们从模拟的游离单体的构象集合开始，对淀粉样β肽（Aβ）和α-突触核蛋白（αS）进行了拉伸模拟。对于这两种蛋白质，模拟产生一组破裂事件，与实验数据吻合得很好。通过分析每个事件中断裂前的构象，我们发现机械抗性结构具有共同的结构，与淀粉样蛋白原纤维中Aβ和αS所采用的折叠相似。研究发现，与疾病相关的Aβ北极突变会增加高度抗力结构的发生。我们的研究表明，在Aβ和αS拉伸实验中观察到的高断裂力是由可能在淀粉样蛋白形成中起关键作用的结构引起的。
2013-06-18 physics.bio-ph q-bio.BM
Direct measurement of the correlated dynamics of the protein-backbone and proximal waters of hydration in mechanically strained elastin
我们报告的相关时间的蛋白质骨架碳和近端水的机械应变弹性蛋白的核磁共振方法的直接测量。实验数据表明，随着生物聚合物上的应变的增加，羰基碳的相关时间减少。这些观察结果与弹性蛋白模拟肽（VPGVG）3的短4ns分子动力学模拟吻合得很好。实验结果还表明，减少近端水化的相关时间，增加应变施加到弹性体。一个简单的模型，建议相关的增加近端水的水化的蛋白质骨架的振动频率的增加，随着应变的增加而发展的运动。总之，蛋白质熵的减少伴随着随着应变的增加而增加的近端水化的熵，支持这样的概念，即弹性的来源是由蛋白质骨架的熵变化引起的熵机制驱动的。
2011-04-05 physics.bio-ph q-bio.SC
Mechanical Unfolding of a Simple Model Protein Goes Beyond the Reach of One-Dimensional Descriptions
我们研究了一个简单的模型蛋白质的机械展开。Langevin动力学的结果进行了分析，使用马尔可夫模型的方法，可以完全描述系统的配置空间。使用过渡路径理论，我们还提供了一个定量描述的系统所遵循的展开途径。我们的研究显示了一个复杂的动态场景。特别是，我们看到通常的一维图像：自由能与端到端距离表示，给出了对过程的误导性描述。解折叠可以发生在不同的路径和配置，似乎在一维图像中发挥核心作用，而不是解折叠动力学的中间状态。
2015-06-05 physics.bio-ph q-bio.BM
Curvature sensing of curvature-inducing proteins with internal structure
本研究理论探讨了具有内部结构的蛋白质的曲率感知机制，发现不对称性和结构变形可增强感知能力，并导致相变类型改变。
2024-01-31 cond-mat.soft physics.bio-ph
Monte Carlo simulation of a statistical mechanical model of multiple protein sequence alignment
提出了一种巨正则Monte Carlo（MC）算法，用于研究多蛋白质序列比对的格子气模型（LGM），该算法将长程相互作用和可变长度插入相干地结合起来. MC模拟用于模型的参数优化和生产运行，以探索给定蛋白质家族周围的序列子空间。在这篇笔记中，我描述了MC算法的细节，以及MC模拟的一些初步结果与不同的温度和化学势，并比较它们与平均场近似。在序列空间中的两个状态的过渡的存在，建议为SH3域家庭，和LGM的平均场近似的不适当的证明。
2017-06-14 physics.bio-ph q-bio.BM
Physical model of the genotype-to-phenotype map of proteins
DNA如何映射到功能蛋白质是生命物质的一个基本问题。我们介绍和研究蛋白质进化的物理模型，这表明这张地图的机械基础。许多蛋白质依赖于大规模运动来发挥功能。因此，我们将蛋白质视为学习无定形物质，它朝着这样一种机械功能进化：基因是编码构成蛋白质的氨基酸网络连接的二元序列。该基因一直进化到网络在蛋白质上形成剪切带，这使得蛋白质功能所需的长距离软模式成为可能。进化将高维序列空间降低到机械模式的低维空间，与观察到的蛋白质基因型和表型之间的降维一致。$10^6$的解决方案的空间的频谱分析显示出强烈的对应关系的剪切带周围的机械模式和序列结构的本地化。具体来说，我们的模型显示了基因突变及其相关性如何发生在氨基酸上，这些氨基酸的相互作用决定了功能模式。
2017-08-17 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.BM
Direct and simultaneous measurement of the stiffness and internal friction of a single folded protein
折叠的单一蛋白质的纳米机械反应，负责无数生物过程的天然纳米机器，提供了对其功能的深入了解。折叠状态的构象柔性，其特征在于其粘弹性，允许蛋白质采用不同的形状来执行其功能。尽管作出了努力，但迄今为止还无法对其进行直接测量。我们提出了一个直接和同时测量的刚度和内部摩擦的折叠结构域的蛋白肌联蛋白使用一个特殊的干涉仪基于原子力显微镜。我们通过仔细分离影响实验探针响应的不同贡献来分析数据，以获得折叠状态的粘弹性。高于~ 95 pN的力，肌联蛋白的单个免疫球蛋白从弹性固体样天然状态转变为软粘弹性中间体。
2022-10-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Statistical Mechanical Treatments of Protein Amyloid Formation
蛋白质聚集是一个重要的研究领域，因为它与神经退行性疾病的问题，生物材料的发展，以及细胞结构如细胞骨架的生长密切相关。例如，淀粉样蛋白的自聚集是一个复杂的过程，涉及许多种类和结构水平。然而，这种复杂性可以使用统计机械工具来处理，例如自由能，配分函数和传递矩阵。在这篇文章中，我们回顾了一般的策略，研究蛋白质聚集使用统计力学方法，并表明，典型和巨正则系综可以用于这种方法。巨正则方法特别方便，因为可以同时考虑组装和分解的竞争途径。使用统计力学的另一个优点是，可以获得原纤维的所有热力学性质的数值精确解，例如形成的原纤维的量，作为初始蛋白质浓度的函数。此外，统计力学模型可用于拟合实验数据时，他们可用于比较。
2013-08-23 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
DeepSymmetry : Using 3D convolutional networks for identification of tandem repeats and internal symmetries in protein structures
Inria（法国国家信息与自动化研究所）；Univ. Grenoble Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）
动机：由于结构生物学的最新进展，现在各种蛋白质的三维结构可以在常规基础上解决。其中很大一部分包含结构重复或内部对称。为了了解这些蛋白质的进化机制以及结构重复如何影响蛋白质功能，我们需要能够非常稳健地检测这些蛋白质。由于深度学习特别适合处理空间组织的数据，我们将其应用于检测具有结构重复的蛋白质。结果如下：我们提出了DeepSymmetry，这是一种基于三维（3D）卷积网络的多功能方法，可以检测蛋白质及其密度图中的结构重复。我们的方法旨在确定串联重复蛋白质，蛋白质的内部对称性，对称性的原始密度图，它们的对称顺序，以及相应的对称轴。对称轴的检测是基于学习三维矢量的六维Veronese映射，并且轴确定的中值角误差小于一度。我们展示了我们的方法的能力与串联重复的蛋白质和对称的组件的基准。例如，我们已经发现了超过10，000个假定的串联重复蛋白，这些蛋白目前不存在于RepeatsDB数据库中。可用性：该方法可在https://team.inria.fr/nano-d/software/deepsymmetry上获得。它由一个C++可执行文件和一个基于TensorFlow框架的Python代码组成，前者将分子结构转换为体积密度图，后者将DeepSymmetry模型应用于这些图。
2018-10-29 cs.LG physics.bio-ph q-bio.QM
Phase Separation on Deformable Membranes: interplay of mechanical coupling and dynamic surface geometry
本文研究了膜结合相分离蛋白质中膜介导的长程相互作用对蛋白质密度分布稳态的影响，通过数值求解和线性稳定性分析发现该相互作用能定性地改变蛋白质平衡态，导致受阻粗化和长度尺度选择，从而在原本不形成图案的系统中引发图案形成。
2025-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Unfolding protein with an atomic force microscope: Force-fluctuation induced non-exponential kinetics
我们表明，在实验原子力显微镜研究的机械应力折叠蛋白质的寿命分布的外部施加的波动的影响不能区分从那些内部存在的波动。在某些情况下，这会导致人为的非指数寿命分布，这可能被误解为蛋白质复杂性的特征。这项工作突出了在对分子水平上起作用的物理学得出结论之前，充分表征和控制蛋白质机械研究中波动的外部来源的重要性。
2011-10-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A wave-mechanical model of incoherent neutron scattering II. Role of the momentum transfer
最近，我们介绍了一个准弹性中子散射（QENS）在蛋白质中的波动力学模型。我们称之为ELM模型的“能源景观模型”。我们假定散射中子的谱线由自然宽度的谱线组成，谱线因涨落而偏离中心。ELM基于两个事实：中子是波包;蛋白质具有形成自由能景观（FEL）的低位子态。实验表明，这些波包有几百微米长。在波包的传输过程中，蛋白质中的中子和质子之间发生相互作用。波包对蛋白质部分施加力$F(t) = dQ(t)/dt$，蛋白质部分是被撞击质子周围的蛋白质部分。$Q(t)$是在渡越过程中由中子波包传递给质子的波矢量（动量）。随后的能量被储存在能量图中，并在波包离开时返回给中子。这样，动能就转化为势能，然后又转化回来。相互作用能与$Q$成正比，而与$Q^2$不成正比。为了开发和检查ELM，我们在逆转不正确的归一化后使用脱水蛋白质的已发表工作。在这样的蛋白质中，只有振动是活跃的，由中子动量引起的效应可以不受外部波动的干扰而进行研究。ELM具有预测能力。例如，如果$S(0, T)$是已知的，它定量地预测了在一个宽的温度和动量$Q$范围内观察到的非弹性非相干分数$S(Q, T)$。
2015-08-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
An evaluation of machine learning/molecular mechanics end-state corrections with mechanical embedding to calculate relative protein-ligand binding free energies
本文通过108个相对结合自由能计算评估机械嵌入ML/MM端态修正的效果，发现其与参数化良好的MM力场无显著差异，并提出重新拟合扭转势是更高效且方差更低的替代策略。
2024-10-22 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.comp-ph
Effective harmonic potentials: insights into the internal cooperativity and sequence-specificity of protein dynamics
蛋白质的正常生物功能通常依赖于围绕其天然结构发生的协调波动，或者更广泛的，有时是高度复杂的运动。粗粒度的弹性网络描述被认为可以捕捉蛋白质构象动力学的基本方面，但迄今为止仍然主要是现象学的，并且无法解释氨基酸的化学特异性。在这里，我们提出了一种方法来获得残留物和距离特定的有效谐波电位从统计分析的一个广泛的数据集的NMR构象合奏。这些势构成了通常用于蛋白质结构静态分析的平均力统计势的动态对应物。在弹性网络模型的背景下，他们产生了强烈的改进残留物运动的合作方面的描述，并有机会系统地探索蛋白质动力学的序列细节的影响。
2013-04-04 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Dynamical model of the kinesin protein motor
我们对驱动蛋白马达的步进动力学进行了建模和仿真，包括电力和机械力，环境噪声以及跟踪和相邻原丝产生的复杂电势。我们的动力学模型支持的手在手机制的驱动蛋白步进。我们的理论预测和数值模拟包括离轴位移的驱动蛋白头，而步骤进行。所得结果与最近的驱动蛋白动力学实验结果吻合较好。
2016-04-29 physics.bio-ph
Effects of ligand binding on the energy landscape of acyl-CoA-binding protein
配体的结合通常对功能至关重要，但配体结合对蛋白质的机械稳定性和能量景观的影响尚未完全了解。在这里，我们使用单分子光镊和分子动力学模拟相结合，研究配体结合对酰基辅酶A（CoA）结合蛋白（ACBP）的能量景观的影响。ACBP是一种拓扑结构简单且高度保守的四-α-螺旋束蛋白，其充当脂肪酰CoA的细胞内转运蛋白和缓冲剂，并且在膜组装中具有活性。我们以前描述的ACBP在张力下的行为，揭示了一个高度扩展的过渡态（TS）位于几乎一半的未折叠和天然状态之间。在这里，我们进行了力斜坡和力跳跃实验，结合先进的统计分析，表明辛酰辅酶A结合ACBP的去折叠反应的活化自由能增加，而不影响沿反应坐标的过渡态的位置。由此可见，配体结合增强了蛋白质的机械阻力和热力学稳定性，而不改变其机械顺应性。转向分子动力学模拟使我们能够合理的辛酰辅酶A与ACBP的四个α-螺旋建立的关键相互作用方面的结果，并表明，解折叠途径是轻微受配体。结果表明，配体诱导的机械稳定化效应可能是复杂的，并可能被证明是有用的稳定配体的合理设计。
2021-11-27 physics.bio-ph q-bio.BM
Extracting physical chemistry from mechanics: a new approach to investigate DNA interactions with drugs and proteins in single molecule experiments
在这篇综述中，我们专注于建立DNA配体复合物的机械性能和DNA-配体相互作用的物理化学之间的联系的想法。这种类型的连接是有趣的，因为它打开了通过仅使用一种实验技术：单分子拉伸来执行这种相互作用的鲁棒表征的可能性。此外，它还开辟了新的可能性，在比较结果获得非常不同的方法，特别是当比较单分子技术的整体平均技术。我们开始手稿回顾DNA力学的重要概念，从基本的力学性质到蠕虫状链模型。接下来，我们将回顾DNA-配体相互作用的物理化学的基本概念，重新访问用于分析结合数据的最重要的模型，并讨论它们的结合等温线。然后，我们讨论了最常用的拉伸DNA-配体复合物的单分子技术的基本特征，并获得力x延伸数据，从中可以确定复合物的机械性能。我们还讨论了DNA和配体之间可能发生的主要类型的相互作用的特点，从共价结合到简单的静电驱动的相互作用。最后，我们提出了一个历史性的调查，试图连接力学的物理化学的DNA-配体系统，强调最近开发的拟合方法有用的DNA-配体复合物的持久性长度的相互作用的物理化学性质。这种方法原则上可以用于任何类型的配体，从药物到蛋白质，即使存在多种结合模式。
2015-04-17 physics.bio-ph
A predictive model for protein materials: from macromolecules to macroscopic fibers
我们提出了一个模型的蛋白质材料的力学行为。基于有限数量的实验大分子参数（持久性和轮廓长度，展开耗散率），我们得到的角蛋白纤维（人，牛，和兔子的头发）的宏观行为，考虑到损伤和残余拉伸的影响，这是基本的许多功能的生活。我们支持我们的理论结果表明，我们的模型是强大的，能够再现高定量准确性的循环实验行为的不同角蛋白材料，我们测试。我们还表明，即使精度较低，蜘蛛丝的耗散和永久应变效应的描述能力。
2017-05-25 physics.bio-ph
The synergy between protein positioning and DNA elasticity: energy minimization of protein-decorated DNA minicircles
蛋白质与DNA的结合有助于基因组的形成和包装以及特定遗传信息的表达。为了了解蛋白质的存在和DNA的变形之间的相互作用，在这样的过程中，我们开发了一种新的方法，以尽量减少弹性能量的DNA片段在介观水平。我们的方法使得有可能获得最佳途径的蛋白质修饰的DNA分子的末端碱基对的空间约束。在这项工作中，我们专注于选定的建筑蛋白质对环状DNA诱导的变形。我们报告的能量景观的DNA微环受到不同程度的扭转应力，并包含一个或两个蛋白质的功能的链长和蛋白质之间的间距。我们的研究结果揭示了双螺旋的弹性和结合蛋白引起的DNA结构扭曲之间的合作。我们发现，施加的机械应力会影响蛋白质在DNA上的位置，而蛋白质反过来又会调节机械应力，从而沿着DNA传播它们的存在。
2014-05-29 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
A Quantum-mechanical description of ion motion within the confining potentials of voltage gated ion channels
电压门控通道蛋白在神经细胞之间的膜电位传递中合作。随着原子尺度生物化学的最新进展，现在已经确定这些通道蛋白提供高度相关的原子环境，即使在温暖的温度下也可以保持电子相干性。在这里，我们展示了薛定谔方程的解决方案，代表了一个单一的钾离子在周围的羰基偶极子在Berneche-Roux模型的细菌\textit{KcsA}模型通道的相互作用。我们表明，根据周围的羰基衍生的潜力，碱金属离子可以成为高度离域的蛋白质在温暖的温度下的过滤器区域。我们提供的离子的动能的时间演变的估计取决于它们与其他离子的相互作用，它们的位置内的蛋白质过滤器区域的氧笼，并取决于周围的羰基不同的振荡频率。我们的研究结果提供了第一个证据表明，需要量子力学性质来解释一个基本的生物学特性，如跨膜离子电流中的离子选择性和对门控动力学的影响，并在电可兴奋细胞中形成经典电导。
2012-06-04 physics.bio-ph q-bio.NC
Frequency dependence of prestin: Intrinsic transition rates and viscoelastic relaxation
内耳中的外毛细胞对于哺乳动物耳的灵敏度、频率选择性和动态范围是重要的。外毛细胞的这种生理作用被认为是基于这些细胞的放大效应，这些细胞具有机械敏感的毛束和运动细胞体嵌入prestin，prestin是一种在高密度下具有机电耦合的膜蛋白。以前评估外毛细胞的机械功率生产的基础上的假设，这种运动蛋白质的固有转换速率比工作频率更快。这份报告概括了以前的治疗纳入固有的运动膜蛋白的转换率。有人发现，过渡率衰减的外毛细胞的机械功率生产，使得粘性阻力不能被抵消超过门控的特征频率。
2020-02-03 physics.bio-ph
Role of atomic spin-mechanical coupling in the problem of magnetic biocompass
动物可以探测到地球的磁场，这是一个公认的概念，而这种磁感受的生物物理起源仍然是难以捉摸的。最近，报道了具有杆状蛋白复合物的磁受体果蝇CG 8198（MagR）[Qin \emph{et al} .，Nat.板牙. \textbf{15}，217（2016）]，以像指南针一样引导动物的磁性取向。然而，这一观点受到挑战[Meister，Elife \textbf{5}，e17210（2016）]，认为热波动击败了蛋白质磁矩与相当弱的地磁场（$\sim25-65$ $μ$ T）的塞曼耦合。在这项工作中，我们表明，在原子尺度上的自旋机械相互作用引起了一个高的阻断温度，这使得蛋白质的磁矩与地球的磁场在室温下很好地对齐。我们的研究结果提供了一个有前途的路线，以解决争论的MagR的热行为，并可能激发广泛的兴趣自旋机械耦合到原子水平。
2018-03-21 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
Insights into new mechanosensitive behaviors of G protein-coupled receptors
本文综述了GPCRs在感知和响应机械力中的新兴作用，重点以AT1R和β2-AR为例阐明其整合机械与化学信号的双重激活机制，并探讨其对心血管健康与疾病的意义及未来研究方法。
2025-06-03 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.SC
A mechanical model reveals that non-axisymmetric buckling lowers the energy barrier associated with membrane neck constriction
膜颈的形成对于断裂是必不可少的，正如最近对小管的实验所证明的，其可以是位置依赖性的。可以使颈部收缩的生物机制的多样性，例如发动蛋白、肌动蛋白、ESCRT和BAR蛋白，以及它们操作的力和偏转的范围，表明收缩过程在功能上是机械的，并且对生物环境的变化是稳健的。在这项研究中，我们使用了一个机械模型的脂双层系统地调查的影响，位置，对称性的限制，和螺旋力膜颈收缩。从我们的模型的模拟表明，与收缩的膜颈的能量障碍是位置依赖性的。重要的是，如果对称性的限制放宽，那么收缩的能量势垒显着降低，膜在较低的强迫参数值。我们的模拟还表明，由于螺旋蛋白质的收缩，进一步降低了颈部形成的能量障碍相比，圆柱形蛋白质。这些研究证实，尽管细胞中颈部形成的分子机制不同，但收缩的机制自然会导致对称性的丧失，从而降低收缩的能量屏障。
2019-12-10 physics.bio-ph q-bio.SC
Mechanical prions: Self-assembling microstructures
本文提出一种由可发生复杂构象变化的简单机械结构构成的机械朊病毒模型，并通过原型实验验证，为利用和调控自然及人工系统中的朊病毒属性提供设计框架。
2025-01-11 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
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
Role of Loading Device on Single-Molecule Mechanical Manipulation of Free Energy Landscape
单分子机械操纵使得人们能够定量地了解键断裂的动力学以及蛋白质的去折叠机制。单分子实验的理论模型，使人们能够深入了解自由能景观的化学键和/或蛋白质折叠。对于机械引起的键断裂，键断裂动力学可由加载装置控制。然而，直到最近，加载装置对机械断裂动力学的作用很少受到重视。在这项工作中，我们从理论上和/或计算上研究了加载装置刚度对机械展开动力学的影响。具体地说，我们考虑了一个一维模型的键断裂的动力学描述的Kramers的理论。阐明了键断裂动力学是由加载装置的力常数决定的。为了验证我们的理论，考虑了键断裂的布朗动力学模拟。结果表明，平均断裂力与加载装置的力常数有关，加载装置刚度越大，断裂力越大。此外，我们还考虑了一个小的蛋白质，即β-发夹的机械解折叠的计算模拟。我们的模拟表明，展开力与加载装置的刚度高度相关。我们的数值和理论研究突出了在单分子力学实验中加载装置对化学键和/或折叠结构域的机械展开动力学的意义。
2010-05-07 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Stoichiometry controls the dynamics of liquid condensates of associative proteins
具有强互补作用的多价缔合蛋白在细胞内液体凝聚物的相分离中起着至关重要的作用。我们通过标度分析和分子动力学研究了这种由两个互补蛋白质组成的“键网络”缩合物的内部动力学。我们发现，当化学计量是平衡的，放松放缓显着由于替代合作伙伴的稀缺性以下的债券断裂。这种微观减速强烈影响体扩散率，粘度和混合，这提供了一种手段来实验测试我们的预测。
2021-01-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Biomimetic Engineering of a Fortified Ice Composite with Enhanced Mechanical Properties
The Hebrew University of Jerusalem（耶路撒冷希伯来大学）；Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）；Technion（以色列理工学院）；Ben-Gurion University of the Negev（内盖夫本-古里安大学）
本研究通过结合冰、纳米晶纤维素与定制嵌合蛋白开发出新型可持续冰复合材料BioPykrete，其具备类弹性力学响应、抗压强度媲美混凝土，可作为北极等严苛地区的环保建筑替代材料，也为复合材料性能调控提供新思路。
2025-07-14 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph physics.med-ph
Equations for Stochastic Macromolecular Mechanics of Single Proteins: Equilibrium Fluctuations, Transient Kinetics and Nonequilibrium Steady-State
建立了一个模拟恒温条件下水溶液中单个生物大分子内部构象动力学和外部机械运动的模型框架。内部动力学和外部运动都是随机的;前者由一组离散状态的主方程表示，后者由连续的Smoluchowski方程描述。将这两个方程合二为一，就形成了单分子布朗动力学和统计热力学的综合理论。这种方法被证明有广泛的应用。它适用于外力作用下的蛋白质-配体解离、伸展作用下多球蛋白的解折叠、马达蛋白抵抗载荷沿线性轨道的运动以及单个波动蛋白的酶催化。作为经典聚合物理论的推广，动力学方程能够以概率术语表征水溶液中的单个大分子，（1）其具有波动的热力学平衡，（2）瞬时弛豫动力学，以及最重要且新颖的（3）具有热耗散的非平衡稳态。建立了保证平衡解及其热力学稳定性的可逆性条件，得到了不可逆性的类H定理不等式，并给出了化学泵非平衡稳态的热力学相容性准则.
2001-06-08 physics.bio-ph q-bio
Nonequilibrium dynamics of an exactly solvable Ising-like model and protein translocation
使用一个类似伊辛的蛋白质机械展开模型，我们引入了一个扩散动力学的确切已知的自由能分布，减少非平衡动力学模型的有偏随机行走。作为一个例子，该模型，然后应用到蛋白质易位现象，从最近的实验的绿色荧光蛋白的分子马达拉的灵感。平均易位时间的准确评估，和单轨迹的分析表明，易位通过一个中间状态，类似于在实验中观察到的。
2013-07-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Combined force-torque spectroscopy of proteins by means of multiscale molecular simulation
评估大蛋白质的结构特性对于了解它们的功能非常重要，例如，生物系统或生物医学应用。我们提出了一种方法来研究蛋白质的机械性能受到的作用力，通过多尺度模拟。我们考虑拉伸力和扭转力，它们可以彼此独立地施加。我们使用波动有限元分析将扭转力应用于抗体蛋白免疫球蛋白G（IgG）的粗粒度连续模型，并确定最强变形的区域。这个区域对于整个分子的扭转性质是必不可少的，因为它代表了最软、最易变形的区域。我们使用分子动力学模拟，在原子水平上对分子的这一部分施加扭矩和拉伸力，以研究其扭转特性。我们计算的扭转阻力作为域的旋转的函数，同时使其受到各种拉伸力。我们了解这些获得的扭转配置文件如何随着拉伸力的增加而演变，并表明它们表现出扭转硬化，这与实验结果定性一致。我们认为，结合各种拉伸力的扭转配置文件有效地在一个组合的力-扭矩光谱分析，这可能是作为一个机械签名的检查分子的结果。
2019-10-07 cond-mat.soft physics.bio-ph
Measuring the energy landscape roughness and the transition state location of biomolecules using single molecule mechanical unfolding experiments
单分子机械展开实验开始提供生物分子复杂能量景观的概况。为了获得可靠的估计能源景观的特点，有必要结合实验测量与健全的理论模型和模拟。在这里，我们展示了如何通过使用温度作为变量，在激光光镊或AFM实验中的生物分子的机械展开的能量景观的粗糙度可以测量，而不作任何假设的基础反应坐标。的形式主义的功效说明通过审查的实验结果，直接测量粗糙度在蛋白质-蛋白质复合物。粗糙度模型也可以用来解释蛋白质在温度变化时的强制展开实验。对能量景观的其他方面的估计，如自由能垒或过渡态（TS）位置，可能取决于用于分析实验数据的精确模型。我们说明了固有的困难，在获得的过渡态的位置从加载速率或力依赖的展开速率。因为过渡态随着力或加载速率的变化而移动，所以通常难以反演实验数据，除非在一维自由能分布的顶部处的曲率大，即势垒是尖锐的。TS位置对力的独立性仅适用于脆性或硬的生物分子，而TS位置变化很大，如果分子是软的或塑性的。我们还评论的有用性的延伸的分子作为一个替代反应坐标，特别是在力淬火的蛋白质和RNA的重折叠的背景下。
2006-12-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.OT
Deconvolution of dynamic mechanical networks
时间分辨的单分子生物物理实验产生的数据，除了从时间序列的直方图导出的平衡分布之外，还包含丰富的动态信息。在典型的力光谱设置中，分子通过连接器连接到读出设备，形成机械耦合的动态网络。平衡分布的反卷积，过滤掉链接器的影响，是一个简单而常见的做法。我们已经开发了一个类似的动态去卷积理论，用于提取任意复杂性和拓扑结构的网络中各个组件的动力学特性这一更具挑战性的任务。我们的方法确定了网络中给定分子的固有线性响应函数，描述了构象波动的功率谱。我们的方法的实用性证明了通过DNA手柄连接到两个光学捕获珠在恒定的拉伸力，我们通过布朗动力学模拟的蛋白质的特定情况下。蛋白质自由能景观中的每一个阱（对应于折叠、未折叠或可能的中间状态）都有其特有的平衡涨落。相关的线性响应函数是丰富的物理内容，因为它既取决于井的形状和它的扩散率-内摩擦的措施所产生的过程，如短暂的断裂和重组的蛋白质结构中的键。从自相关函数的平衡珠的波动在这个力钳设置测量，我们展示了如何实验可以准确地提取状态依赖的蛋白质扩散率使用一个简单的两步程序。
2011-07-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Power-law rheology and mechano-sensing in a cytoskeleton model with forced protein unfolding
我们描述了一个模型的细胞骨架力学的基础上力引起的构象变化的蛋白质交联在一个强调的聚合物网络。模拟网络的缓慢变形包含交联，经历重复，串行域展开导致一个不寻常的状态-与许多交联积累附近的临界力进一步展开。这些链接的热激活引起类似于以前无法解释的机械反应的活细胞的幂律流变学。此外，我们假设，这种蛋白质交联的功能作为生化机械传感器的细胞骨架变形。
2006-03-18 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Structure and mechanical characterization of DNA i-motif nanowires by molecular dynamics simulation
利用分子动力学计算机模拟方法研究了DNA i基序纳米线的结构和力学性质。我们建立了长达230纳米的纳米线，基于重复的TC 5序列从晶体学数据，完全放松和平衡在水中。不寻常的堆叠的C*C+堆叠结构，形成由四个ssDNA链排列在一个插入的四聚体，在这里完全静态和动态的特点。通过应用拉伸，压缩和弯曲变形与转向分子动力学和伞形采样方法，我们提取的表观杨氏模量和弯曲模量的纳米线，以及估计的拉伸强度和持久长度。根据我们的研究结果，i基序纳米线与结构蛋白质有相似之处，就其拉伸刚度而言，但就其弯曲刚度而言，更接近核酸和柔性蛋白质。此外，由于其非常薄的截面，表观拉伸韧性接近金属。除了其尚未澄清的生物学意义，i-motif纳米线可能有资格作为有趣的候选人的纳米技术模板，由于这种出色的机械性能。
2013-07-01 physics.bio-ph q-bio.BM
Sensitivity of peptide conformational dynamics in carbon nanotubes to directional mechanical forces
本研究通过力探针分子动力学模拟，探究碳纳米管受限环境中定向拉/推十肽对其构象动力学的影响，发现力加载速率和肽序列的作用更显著，拉动肽的穿管过程更顺畅，为理解细胞内短肽受限空间穿行机制提供了依据。
2025-02-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Deformable and robust core-shell protein microcapsules templated by liquid-liquid phase separated microdroplets
微胶囊是一类重要的微尺度材料，其应用范围从个人护理到生物医学，并且具有越来越大的潜力作为中空器官或组织的细胞外基质（ECM）模型。这种胶囊通常由包括合成聚合物的非ECM材料产生。在这里，我们制造了强大的微胶囊与可控的壳厚度从物理和酶交联明胶，并实现了核-壳结构，通过利用液-液相分离的水分散相系统在一步微流控过程。微流体力学测试表明，厚壳胶囊的机械鲁棒性可以通过调节壳厚度来控制。此外，微胶囊表现出环境响应性变形，包括渗透和外部机械力引起的屈曲。通过胶囊的降解获得货物物质的顺序释放。稳定性测量显示胶囊在37 °C下稳定超过两周。最后，通过微凝胶前驱体的凝胶-溶胶转变，得到了全水相液-液相分离体系和多相液-液相分离体系。这些智能胶囊是中空生物结构、微尺度药物载体以及活性软材料和机器人的构建模块或隔间的有前途的模型。
2021-05-24 cond-mat.soft physics.bio-ph
TALEs from a spring -- superelasticity of Tal effector protein structures
采用一种简单的力探针装置，在计算机实验中研究转录激活因子样效应子（TALE）蛋白的力学性质。结果表明，它们的弹簧状排列有利于超弹性行为，这表现为沿螺旋轴的大规模全球构象变化，从而将TALE蛋白的结构和动力学联系起来。从测得的力-延伸曲线可以看出，dHax 3和PthXo 1 TALE表现得像线性弹簧，遵守胡克定律，用于适度的全局结构变化。然而，对于更大的变形，蛋白质表现出非线性，并且结构变得更硬，它们被拉伸得越多。灵活性不是均匀分布在TALE结构，而是软点，对应于RVD环残基和本发明的关键剂在构象运动的传输被确定。
2014-06-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
On the Energy Transfer Performance of Mechanical Nanoresonators Coupled with Electromagnetic Fields
我们研究了电耦合和磁耦合的机械纳米谐振器的能量传递性能。使用谐振散射理论，我们表明，磁耦合谐振器可以实现相同的能量传输性能，为他们的电耦合的同行，甚至超越他们的规模内的利益。磁耦合和电耦合进行了比较，在纳米管无线电，一个现实的例子，纳米级的机械谐振器。能量传递性能也讨论了新提出的生物纳米谐振器组成的磁小体涂有一个网络的蛋白质纤维。
2012-07-19 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph
A new approach for extracting information from protein dynamics
预测蛋白质结构的能力的提高正在将研究重点转向理解蛋白质动力学。一个很有前途的方法是通过网络来表示蛋白质动力学，并利用网络科学的成熟方法。大多数研究通过相关性度量构建蛋白质动力学网络，这种方法仅在非常特定的条件下有效，而不是更鲁棒的逆方法。因此，我们将逆方法应用于蛋白质二面角的动力学，一个内部坐标系统，以避免结构对齐。使用良好的特性的粘附蛋白，FimH，我们表明，我们的方法识别网络，物理上可解释的，强大的，相关的变构途径网站。我们进一步使用我们的方法来检测免疫系统中Siglec-8和SARS-CoV-2刺突蛋白的动力学差异，尽管结构相似。我们的研究表明，使用逆方法从蛋白质动力学中提取网络产生了重要的生物物理见解。
2022-03-16 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.MN
Mechanical unfolding of RNA: From hairpins to structures with internal multiloops
使用激光光镊（LOT）实验对RNA结构（从发夹到核酶）进行机械展开，已经开始揭示使用传统实验无法轻松探索的能量景观特征。在施加恒定力（$f$）时，RNA发夹经历从折叠到未折叠状态的合作转变，而核酶的亚结构域每次解开一个。在这里，我们使用自组织聚合物（SOP）模型和布朗动力学模拟探测机械展开在恒定的力和恒定的负载率的四个RNA结构的不同复杂性。我们的工作表明：（i）RNA对力的响应在很大程度上取决于天然结构;（ii）只有通过探测在广泛的力范围内的机械展开，才能充分探索潜在的能量景观。
2006-09-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Protein structure validation and refinement using amide proton chemical shifts derived from quantum mechanics
我们提出的ProCS方法的快速和准确的预测蛋白质骨架酰胺质子化学位移敏感的探针的几何形状的关键氢键，决定蛋白质结构。ProCS的参数化对量子力学（QM）的计算和再现高水平的QM结果获得的小蛋白质的RMSD为0.25 ppm（r = 0.94）。ProCS与PHAISTOS蛋白质模拟程序连接，用于推断反映实验测量的酰胺质子化学位移值的统计蛋白质系综。从蛋白G、泛素和SMN Tudor结构域的高分辨率X射线结构开始，这种基于化学位移的结构细化导致与实验非常一致的平均化学位移、氢键几何形状和反式氢键（h3 JNC '）自旋-自旋耦合常数。我们表明，结构的敏感性的QM为基础的酰胺质子化学位移的预测是需要细化蛋白质结构，这一协议。因此，ProCS方法提供了一种强大的新工具，用于将氢键网络的结构细化到高精度，具有许多潜在的应用，例如蛋白质在配体结合中的灵活性。
2013-11-24 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
