Two models of protoplasm microstructure of the living cell in resting state
为了发展活细胞的热力学分析方法，提出了两种静息态活细胞原生质微结构模型。这两种模型都是基于Ling胞腔作为一个统计力学系统是非遍历的假设。在第一个范德瓦尔斯模型中，蛋白质-蛋白质相互作用，形成细胞功能的物理基础，被认为是至关重要的相互作用。假设蛋白质分子位于某个空间晶格（细胞的Ling模型）的点上，它们在平衡态下聚集成聚集体，对应于死亡的原生质。在第二个模型中，我们考虑了蛋白质在静止状态下的构象和细胞从静止状态到平衡态（死亡原生质）时的构象变化。模型的研究和它们的特性的比较表明，方便的工具来定义所考虑的系统的能量最小值是一个描述超流玻色气体的蛋白质构型空间的哈密顿量。我们的方法使我们能够以一种新的方式定义活的（处于静止状态）和死的原生质的热力学特征：在第一种情况下，系统的特征在于蛋白质的未折叠状态，在第二种情况下，蛋白质被折叠和聚集。所得到的结果证明了我们的方法的适用性，一个细胞的Ling模型的热力学特性。
2012-05-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Johnson-Kendall-Roberts theory applied to living cells
Johnson-Kendall-Roberts（JKR）理论是一种精确的软微变形材料强粘附能模型。关于这个理论在诸如活细胞等复杂系统上的有效性，人们知之甚少。我们已经解决了这个问题，使用消耗控制的细胞粘附和测量所需的力分离细胞与微量移液管技术。我们表明，细胞骨架可以提供细胞的三维结构，是足够的弹性，并具有足够低的变形能力的JKR理论是有效的。当细胞骨架被破坏时，JKR理论不再适用。
2005-10-03 physics.bio-ph
Sulfobetaine-Phosphonate Block Copolymer Coated Iron Oxide Nanoparticles for Genomic Locus Targeting and Magnetic Micromanipulation in the Nucleus of Living Cells
本文提出磺基甜菜碱-膦酸嵌段共聚物包覆的氧化铁纳米颗粒，首次实现活细胞核内特定基因组位点的靶向与磁微操控，为在分子尺度探测活体力学性质提供了隐蔽稳定的纳米探针。
2025-01-06 physics.bio-ph
Spatial Scales of Living Cells, their Energetic and Informational Capacity and the Origin of the Arrow of Time
物理热力学和动力学，化学和生物学推理限制了活细胞的空间尺寸，并将其限制在1到100微米之间。细胞必须是宏观的，耗散的对象，抵抗热波动，并提供足够的信息容量。单元空间尺寸的上限由它们在合理变形下承受重力和惯性力的能力提供。细胞尺寸的上限也取决于质量和热量传输固有的特征时间尺度的层次结构。对于微米尺度的细胞，交通时间（即一种酶迁移到另一种酶所需的典型时间）在毫秒的数量级上，这与催化酶循环的单轮的特征时间尺度一致。在其他重要的后果中，活细胞的宏观尺寸被视为耗散系统）引起了生物过程的不可逆性，证明了时间之箭。
2017-05-11 physics.bio-ph
Single-molecule kinetics in living cells
在过去的几十年中，显微镜的进步使人们有可能在体外研究单个生物分子的动力学，并解决分子内动力学，否则将隐藏在合奏平均。最近，单分子方法已被用于成像，定位和跟踪活细胞的细胞质中的单个标记的大分子，允许在生理相关条件下的分子间动力学的调查。在这篇综述中，我们阐明了单分子技术在研究活细胞动力学时的特殊优势，并讨论了与这些方法相关的特定挑战的解决方案。
2018-09-10 physics.bio-ph q-bio.QM
Using biophotonics to study signaling mechanisms in a single living cell
为了说明生物物理方法在解决生命科学中的重要问题时的力量，我在这里介绍我们目前的一个研究项目作为例子。我们已经开发了特殊的生物光子技术来研究单个活细胞中信号蛋白的动态特性。这样的研究使我们对调节程序性细胞死亡的信号机制有了新的认识。
2014-01-08 physics.bio-ph q-bio.MN
Muscle-Cell-Based "Living Diodes"
一种新型的二极管，是完全由电兴奋的肌肉细胞和非兴奋的成纤维细胞的设计，制造和特点。这两种细胞呈矩形排列，使可兴奋侧发出的信号传递到不可兴奋侧，而不是相反的方向。
2017-06-01 physics.bio-ph q-bio.TO
Energetics of active fluctuations in living cells
在活细胞中发生的非平衡活动可以用包埋在培养基中的示踪剂来监测。虽然显微流变学实验的基础上，光学操纵这样的探针已经变得越来越标准，我们提出了一些实验的替代协议，我们声称，将提供新的见解积极波动的能量。这些都是基于在控制参数空间中执行热力学循环，或确定对简单平移之外的约束陷阱的外部扰动的响应。我们说明了我们的建议，一个积极的巡回布朗振荡器建模的动态探针嵌入在一个活的介质。
2014-06-06 cond-mat.soft physics.bio-ph
A fibered interference scanning optical microscope for living cell imaging
本文报道了一种新研制的光纤干涉扫描光学显微镜对生物细胞（包括活神经元）的三维成像。清晰地显示了小鼠成纤维细胞和海马神经元的形貌和表面结构。这种简单的技术可以快速，高分辨率地观察液体中的样品，而无需冗长的对准程序或昂贵的组件。
2011-02-07 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
A mathematical finance approach to the stochastic and intermittent viscosity fluctuations in living cells
在这里，我们报告真核生物活细胞的粘度作为时间的函数，并应用随机模型来分析其时间波动。NIH/3 T3成纤维细胞的粘弹性研究使用主动微流变技术，其中磁线，嵌入到细胞中，被远程驱动。这些数据揭示了异常的瞬态响应，其特征在于缓慢和快速旋转的间歇性阶段，揭示了显着的波动。从时间序列的角度，通过计算自相关函数和变异函数，两个函数用于描述数学金融中的随机过程的时间依赖粘度进行了分析。由此产生的分析给出了证据的子扩散均值回复过程的自回归系数低于1的特点。它还显示了在1 - 10秒和100 - 200秒范围内的特定细胞时间的存在，这在以前没有公开。较短的时间被发现与细胞质的内部弛豫时间有关。据我们所知，这是第一次，相似之处之间建立的时间序列描述细胞内代谢和数理金融的统计结果的属性。目前的方法可以用来揭示生物复杂系统的隐藏特征，或确定细胞代谢的新生物标志物。
2020-05-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Broadband plasmonic nanoantennas for multi-color nanoscale dynamics in living cells
最近，等离子体纳米天线的实现为研究活细胞中单个生物分子的纳米级动力学开辟了新的可能性。然而，由于金基纳米结构的窄波长共振排除了对不同荧光标记分子的同时询问，因此研究还限于单一分子种类。在这里，我们利用宽带铝基纳米天线雕刻在近场探针的顶点，以解决完整的活细胞膜上的纳米尺度动态分子相互作用。通过荧光激发，我们同时记录了已知在活细胞中形成纳米簇的双色标记跨膜受体的荧光波动。荧光交叉相关研究揭示了在~60 nm的区域中单个受体之间的瞬时相互作用。此外，天线照明提供的高信号背景比使我们能够直接检测由天线下方的单个受体通过而产生的荧光猝发。值得注意的是，通过减少低于特征受体纳米团簇尺寸的照明体积，我们解决了纳米团簇内的分子扩散，并将其与纳米团簇扩散区分开来。分子间瞬时相互作用的时空表征对于理解它们如何相互通信以调节细胞功能至关重要。我们的工作展示了宽带光子天线以前所未有的时空分辨率研究活细胞膜中的多分子事件和相互作用的潜力。
2023-01-22 physics.bio-ph physics.optics
The Significance of Non-ergodicity Property of Statistical Mechanics Systems for Understanding Resting State of a Living Cell
在我们能够理解活细胞内发生的过程之前，更好地掌握生命的物理基础是必要的。在他的细胞物理理论中，美国生理学家Gilbert Ling引入了细胞静止状态的重要概念。他将这种状态描述为一种独立的稳定的热力学状态，在这种状态下，生命物质储存了执行各种生物工作所需的所有能量。这种状态的特征在于系统的熵比活跃状态低。然而，Ling的方法主要是从热力学角度定性的，需要更具体地描述。为此，我们提出了一种新的热力学方法来研究Ling的活细胞模型（Ling细胞），其中心部分是最近在统计力学[7]中被证明适用于广泛系统的非遍历性。这些方法使我们能够开发一般的热力学方法来解释一些众所周知的生理现象，这些现象可以用于使用特定的物理模型对这些现象进行进一步的物理分析。
2010-10-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Living Cell Cytosol Stability to Segregation and Freezing-Out:Thermodynamic aspect
活细胞胞液状态被视为具有特殊功能：一相压力为正，另一相压力为负的均相平衡。从这个角度来看，无论其成分（水和溶解的物质）如何，胞质溶胶既不是溶液也不是凝胶（或作为整体的溶胶）。这是其独特的能力，用于选择，分选和运输试剂到活细胞的适当位置，而无需所谓的“管道”。为证明这一点，本文从热力学定律和吉布斯平衡判据出发，对变号压力介质的平衡和稳定条件进行了理论研究。
2012-03-30 physics.bio-ph physics.gen-ph q-bio.SC
Thermodynamics of pharmacological action for electron-accepting compounds on activated or damaged cell in the context of Ling's model of the living cell
本文所探讨的药物作用理论是基于这样的假设，即细胞的生命活动可以用两种状态的模型来描述：静息状态和兴奋状态。根据现有的生理数据，兴奋状态对细胞是危险的，并且可能由于蛋白质聚集而引起不同的病理变化，包括"构象"疾病。正常情况下，这种兴奋是完全可逆的，在此起关键作用的是ATP（腺苷-5'-三磷酸），它使细胞基质的蛋白质解聚。ATP在细胞损伤期间通过引发"愈合"效应而发挥相同的作用。我们认为细胞结构的损害是"疾病"，而消除任何来源的蛋白质聚集引起的病理后果，我们将称为"治愈"。后者被认为是细胞从兴奋/损伤恢复到静息状态的物理过程，这是根据我们的广义热力学分析。"固化"导致细胞蛋白的有效温度降低，这是由于结合细胞内水，其以约44 M的浓度存在于细胞中。作为吸附过程的结果，水和蛋白质的流动性大大降低，并且我们将有效温度的相应降低视为处理效果的量度。
2012-08-20 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.CB
Living Cells as a Biological Analog of Optical Tweezers -- a Non-Invasive Microrheology Approach
微观流变学是对微米尺度流体的研究，有望揭示细胞生物学的见解，包括疾病的机械生物标志物以及生物力学和细胞功能之间的相互作用。在这里，通过将珠子化学结合到细胞表面，并以毫秒至100秒的时间尺度观察珠子的均方位移，将微创被动微流变学技术应用于单个活细胞。测量在数小时内重复进行，并与新的分析一起提出，以量化细胞低频弹性模量和细胞动态在约0.01秒至10秒的时间窗口内的变化。一个类似的光学捕获允许验证的恒定粘度的HeLa S3细胞在控制条件下和细胞骨架破坏后。在对照情况下，在细胞骨架重排期间观察到细胞变硬，当肌动蛋白细胞骨架被Latrunculin B破坏时，观察到细胞变软。这些数据与整合素结合和募集触发细胞骨架重排的传统理解相关。据我们所知，这是第一次在粘着斑成熟过程中测量到细胞硬化，也是通过任何手段量化这种硬化的最长时间。
2022-11-25 physics.bio-ph
The dielectric behavior of the living cell suspensions
在小浓度和弱电场条件下，计算了任意形状、带壳和带电粒子悬浮液的介电常数。证明了在低频下的介电行为是由自由电荷在壳层表面的扩散效应所决定的。我们的理论公式在低频范围（α色散）和高频范围（β色散）都是有效的。将导致人们可以测量膜电位的一个简单的调查活细胞悬浮液的介电性能。
1998-11-16 physics.bio-ph physics.gen-ph
Heterogeneous anomalous diffusion of virus in cytoplasm of a living cell
从扩散理论的观点研究了病毒在活细胞胞质中的感染途径。细胞质起着内体中所含病毒以及游离病毒随机运动的介质的作用。实验上已知，异常扩散的指数在细胞质的局部区域中波动。在这里，推广分数动力学理论，这样的波动描述的指数局部分布在细胞质中，并提出了一个理论命题，其统计形式。所提出的波动可以在感染途径中的异质扩散实验中进行检查。
2010-03-03 physics.bio-ph q-bio.SC
Spectroscopic investigation of local mechanical impedance of living cells
利用力反馈显微镜，采用两种实验方法，在纳米尺度上研究了PC 12活细胞的力学性能。首先，在恒定力作用下，将细胞膜的局部机械阻抗同时映射到细胞形态。随着相互作用力的逐渐增加，我们观察到了亚膜细胞骨架的出现。我们将把用这种方法得到的结果与其他现有技术的测量结果进行比较。其次，光谱调查已经进行了不同的细胞膜中的尖端的压痕，因此施加在it. In与传统的动态原子力显微镜技术相比，在这里的小振幅的尖端不一定施加在悬臂梁的第一本征模的力。这允许用户在开发光谱AFM技术时任意选择激发频率。在1 kHz - 10 kHz范围内，PC 12细胞膜的力学响应是频率依赖性的。当激励频率增加时，可重复地观察到阻尼系数减小。
2013-10-23 physics.bio-ph
Shape regulation generates elastic interaction between living cells
活细胞向组织的组织化与细胞之间的机械相互作用有关，这是通过它们的弹性环境介导的。我们将细胞建模为由无限弹性矩阵包围的球形主动力偶极子，并分析评估其监管行为的不同场景的相互作用能。我们得到的吸引力的稳态（设定点）的力量和排斥的稳态位移。当细胞的平移运动受到调节时，相互作用能量随距离衰减为$1/d^4$，而当其不受调节时，能量衰减为$1/d^6$。这与感应电偶极子之间的范德华相互作用的原因相同。
2017-02-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Diffusion theory for the infection pathway of virus in a living cell
从扩散物理学的观点来看，病毒在活细胞中的感染途径是令人感兴趣的。在这里，最近的事态发展有关的扩散理论的感染途径的腺相关病毒在细胞质中的一个活的HeLa细胞的报告。推广分数动力学成功地模拟异常扩散，一个理论描述的病毒感染途径的细胞质。基于最大熵原理，讨论了扩散指数涨落的统计性质。此外，有关的连续极限的熵的方法中引入的问题进行了仔细检查。该理论表明病毒的运动可能服从一个标度律。
2018-03-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Label-free optical imaging of ion channel activity on living cells
本文提出无标记电化学调制干涉散射显微镜，实现活细胞上全细胞及单通道水平的离子通道活性成像，兼具高通量与单通道灵敏度，可区分多种通道类型并监测细胞网络异质性响应。
2023-12-27 physics.bio-ph
Planar Optical Nanoantennas Resolve Cholesterol-Dependent Nanoscale Heterogeneities in the Plasma Membrane of Living Cells
光学纳米天线可以有效地将光限制在纳米级热点，从而在生物相关条件下实现单分子检测灵敏度。这种突破衍射极限的创新方法提供了一个多功能平台，用于研究活细胞膜中单个生物分子的动力学及其分配到胆固醇依赖性脂质纳米结构域中。在这里，我们提出了光学纳米天线阵列与可访问的表面热点研究的特征扩散动力学的磷酸乙醇胺（PE）和鞘磷脂（SM）在纳米级的活细胞质膜。对不同间隙尺寸的纳米天线进行的荧光猝发分析和荧光相关光谱表明，与PE不同，SM被瞬时捕获在直径为10 nm的富含胆固醇的纳米结构域中，特征时间约为100 μs。胆固醇的去除导致SM的自由扩散，与纳米畴的分散一致。我们的研究结果是一致的存在高度瞬态和波动的纳米级组件富含胆固醇和鞘脂在活细胞膜，也被称为脂筏。鞘脂分配到脂筏的定量数据是至关重要的，以了解在纳米级的活细胞膜上的瞬时分子复合物的时空异质组织。所提出的技术是完全生物相容的，因此为生物物理学和活细胞研究提供了各种机会，以揭示仍然隐藏在共焦衍射限制测量中的细节。
2017-11-17 physics.bio-ph physics.optics
Electrophysiology of living organs from first principles
本文在对宏观麦克斯韦方程组进行空间平均的基础上，讨论了生物器官的电生理。其他的平均（或均匀化）方法，如双主模型与麦克斯韦理论不相容。我们还指出，建模的有源电池的源电流是不是一个合适的描述的情况下，从第一原理。相反，事实证明，所测量的电势的主要来源是存在于活性细胞的膜处的极化电荷密度，并且加起来是宏观极化。后者是拉普拉斯方程中的源项，其解给出了测量的远场电势。因此，极化或偶极子密度最适合于心律失常的定位。
2010-06-17 physics.bio-ph q-bio.QM
Biological implications of possible unattainability of comprehensive, molecular-resolution, real-time, volume imaging of the living cell
尽管在生物成像方面取得了令人印象深刻的进展，但今天没有成像模式以全面的方式生成实时在活细胞内部深处工作的拥挤分子的高分辨率图像。在本文中，我们提出了一个相反的问题：如果这种成像是\emph{fundamentally}不可能的呢？我们认为，某些退相干过程可以被抑制，因为细胞的内部工作没有被密切“观察”在量子力学意义上，所暗示的假设不可能成像。当然，“湿热”的活细胞不应该仅仅因为缺乏观察而表现出量子行为。尽管如此，我们还是要继续努力，看看\emph{might}由于缺乏向外的信息流而导致的结果。我们认为，在细胞中的混沌动力学可以量子力学抑制-量子混沌学中的一个已知现象，这是潜在的抵抗各种机制的出现经典。我们还考虑了可能寻求支持/反对这种可能性的实验证据的地方。
2017-03-09 physics.bio-ph quant-ph
Time irreversibility, entropy production and effective temperature are independently regulated in the actin cortex of living cells
该研究通过对有丝分裂人类细胞肌动蛋白皮层的AFM探针涨落实验及最小模型分析，发现时间不可逆性、有效温度与熵产生可独立调控，挑战了有效温度作为热平衡距离代理的有效性，并揭示二者间新的耦合关联。
2025-03-21 physics.bio-ph
Could Living Cells Use Phase Transitions to Process Information?
该研究探讨细胞内生物分子凝聚这一结构相变的信息处理作用，将其纳入物理计算框架，提出表达性与学习性问题，为多学科研究提供新方向。
2025-07-31 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft nlin.AO
Analytical description of anomalous diffusion in living cells
我们提出了一个与分子马达活动相关的细胞内转运过程的随机模型。这个平衡模型，基于广义朗之万方程，认为一个粒子沉浸在粘弹性环境中，同时由外部随机力驱动，模拟电机活动。均方位移的解析表达式推导出，表现出subdiffusivesuperdiffusive过渡。我们表明，实验上可访问的扩散粒子运动的统计特性，可以重现这个模型。
2009-04-14 physics.bio-ph q-bio.SC
The living state: how cellular excitability is controlled by the thermodynamic state of the membrane
生物膜的热力学（TD）性质在生命系统中起着核心作用。例如，有人提出，只有当膜状态处于TD跃迁附近时，才能存在诸如动作电位（AP）之类的非线性脉冲。在此，两种膜特性-兴奋性和AP速度-被研究用于生活系统中的广泛条件（温度（T）、3D压力（p）和pH依赖性）。基于这些数据，我们预测了膜的转变所处的参数范围（低于生长温度15-35°C;低于pH 7 1-3个pH单位;在~800 atm下），并提出了相应的相图。后者解释说：（i）AP速度随T、p和pH的变化。（ii）两种性质不同的非线性兴奋性丧失形式（“神经阻滞”、麻醉）的存在和起源。(iii)触发AP的参数更改的类型和数量。最后，TD行为的2D-脂质模型膜与生活系统之间的定量比较。典型的转变温度与pH值和p的模型膜同意密切从细胞生理测量（兴奋性和传播速度）获得的值。两者合计，这些结果强烈表明，它不是特定的分子，控制生活系统的兴奋性，而是准二维膜界面的TD属性。本文提出的方法可以扩展到其他量（表面电位、钙浓度等）。并作出明显可证伪的预测，例如，在可兴奋细胞中的指定参数范围内存在转变。
2020-07-15 physics.bio-ph
Nanoelectrodes for intracellular measurements of reactive oxygen and nitrogen species in single living cells
活性氧和氮物质（ROS和RNS）在各种生理过程（例如，吞噬作用）和病理状况（例如，癌症）。主要的ROS/RNS，即，过氧化氢、过氧亚硝酸根离子、一氧化氮和亚硝酸根离子可以在不同电极电位下被氧化，因此可以通过电分析技术进行检测和定量。纳米尺寸的电化学探针特别适用于测量单细胞和细胞器中的ROS/RNS。在这篇文章中，我们调查了单细胞内ROS/RNS局部测量的最新进展，并讨论了几个方法学问题，包括优化纳米电极的几何形状，精确定位的电化学探针内的细胞，和电分析数据的解释。
2020-07-07 physics.bio-ph q-bio.SC
The Thermodynamics of the living organisms: entropy production in the cell
试图确定细胞内的熵产生一直是上个世纪争论和研究的一部分。首先，这个想法是使一个类似的细胞与卡诺引擎，这是最完美的机器。这种方法显然不是最好的，因为在细胞内实现的产量不可能是理想的，但我们甚至可以测量它吗？有几个模型接近活细胞，从非常简单的模型（例如Prigogine模型）到更详细的建议。熵的概念一直是几个科学领域讨论的中心。要解释熵是如何在细胞的复杂系统中产生的，就像要理解生命最初是如何起源一样困难。了解细胞的工作方式是生物学，医学和其他多个科学领域的关键。热力学在我们周围的许多过程中是必不可少的。我在这里给一个什么样的已经做了深入的了解和个人意见的主题，集中在从Himeoka和金子论文的结果。
2017-12-12 physics.bio-ph physics.chem-ph
A solution to the subdiffusion-efficiency paradox: Inactive states enhance reaction efficiency at subdiffusion conditions in living cells
活生物细胞中的大分子拥挤影响较大生物分子如蛋白质和酶的亚扩散。模仿这种subdiffusion在随机游走的关键渗流集群，我们在这里提出了一个案例研究的EcoRV限制性内切酶参与重要的细胞防御。我们表明，由于其迄今难以捉摸的倾向，一个非活性状态的酶避免非特异性结合，并保持良好的分布在细胞的大部分细胞质。尽管亚扩散过程的体积探索能力降低，但这种机制保证了酶的高效率。通过变化的非特异性结合常数和渗透网络上的键占据概率，我们表明，减少非特异性结合是有益的，即使在相对较小的细菌细胞有效的亚扩散酶活性。我们的研究结果证实了一个更局部的细胞调节的图片。
2012-03-08 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Introduction of impermeable actin-staining molecules to mammalian cells by optoporation
将外源物质（如荧光标记物或质粒）选择性地插入活细胞中一直是细胞生物学中的一个挑战性问题，然而，研究人员经常需要将这些物质插入细胞中以进行各种动力学和/或药物递送研究。如果研究限于更大群体内的特定细胞，则该问题变得更具挑战性，因为其他转染方法，如病毒转染和脂质体转染，不能以高度的空间选择性实现。我们使用聚焦的飞秒激光束在细胞膜上制造一个短暂的小孔，（光穿孔）以注射纳摩尔浓度的罗丹明鬼笔环肽（一种用于染色丝状肌动蛋白的不可渗透的染料分子）进入靶向活哺乳动物细胞（HEK和原代皮层神经元）。在optoporation后，观察到与细胞内肌动蛋白网络的结合和荧光强度的升高。
2016-02-25 physics.bio-ph q-bio.CB
Subdiffraction-limited quantum imaging within a living cell
我们报告两个亚衍射限制量子精密测量和量子增强空间分辨率的第一次在生物学方面。在量子增强光子力显微镜中，当纳米粒子扩散通过活细胞的扩展区域时，用量子相关光跟踪纳米粒子。这使得细胞内的空间结构能够以低至10 nm的长度尺度进行映射。与相干光实验相比，水中的对照实验显示出14%的分辨率增强。我们的研究结果证实了长期以来的预测，即量子相关光可以提高纳米尺度和生物学的空间分辨率。与最先进的量子光源相结合，这种技术提供了一种途径，使分辨率比类似的经典成像技术提高一个数量级。
2014-02-05 physics.bio-ph physics.optics quant-ph
Estimation of rheological parameters for unstained living cells
在视频记录中，在细胞内区域移动的物体通常难以检测和识别。为了挤压的细胞内流动的信息，我们提出了一种自动的方法重建的细胞内流动速度场的基础上只记录的视频的未染色的细胞。该方法的基础是检测加速鲁棒特征（SURF）并将其组装成轨迹。运动的两个组成部分-直接和布朗-分离的基础上最小协方差估计的原始方法。布朗分量给出空间分辨的扩散系数。定向分量产生速度场，并且在拟合涡度方程之后，估计空间分布的有效粘度。将该方法应用于人成骨细胞和肝细胞的视频。所得参数与文献数据一致。
2021-04-15 physics.bio-ph
Self-enhanced mobility enables vortex pattern formation in living matter
本研究通过实验和模拟发现，细菌生命物质中的自增强迁移性可驱动中尺度快速旋转涡旋形成厘米级六角形有序图案，揭示了一种纯物理机制的自组织图案形成途径。
2024-03-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Active Segregation Dynamics in the Living Cell
在本文中，我们汇集了我们的努力，在确定和理解的非平衡相分离驱动的活细胞中的活动过程，特别关注的分离的细胞膜组件驱动的积极收缩应力所产生的皮质肌动球蛋白。这也对细胞质和细胞核内无膜区域的活跃分离动态产生影响（3d）。我们制定了一个积极的版本的Flory-Huggins理论，结合了波动的主动应力的贡献。除了将我们过去的一些理论工作编织在一起，我们还强调了一些新的结果，并与最近关于主动模型B/B+的研究建立了对应关系。我们指出了许多不寻常的方面的动态活动相分离，如（i）异常生长动力学，（ii）粗化伴随着推进和合并的领域，表现出非互易效应，（iii）偏析到中尺度域，（iv）出现了一个非平衡相分离的稳定状态，其特征是强烈的宏观波动（波动主导相序（FDPO）），和（v）中尺度偏析甚至高于平衡Tc。除了其对二元流体的主动驱动分离的影响外，这些想法是活细胞质膜上分子横向组织的活性乳液描述的核心，其完整的分子阐述出现在其他地方。
2021-11-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Collective dynamics of water in the living cell and in bulk liquid. New physical models and biological inferences
在水中集体动力学的框架下，建立了基于元激发和长程电磁相互作用的细胞和液体模型。利用水相干域（CD）的低有效质量，我们研究了简单量子模型与细胞特征的相关性。研究了CD玻色型凝聚的假设、具有不可穿透壁和半穿透壁的球形阱中的CD模型以及由两个相互作用的CD组成的各向同性振子模型。估计的细胞体积与中型细菌和小型原核生物以及真核细胞中的一些细胞器相匹配。并对重水对真核生物的细胞毒性效应进行了解释。在另一种方法中，我们提出了一个类等离子体模型的氢氧离子等离子体在液态水。除了等离子体激元振荡，该模型预测了类似声音的非平衡元激发，我们称之为密度（水的声音异常），蒸发热和介电常数色散，与实验数据一致。在活细胞中由离子等离子体振荡产生的场可以支持长距离的细胞间关联。
2008-12-12 physics.bio-ph physics.chem-ph
Nanoscale thermal control of a single living cell enabled by diamond heater-thermometer
我们报告了一种新的方法来可控的热刺激的一个单一的活细胞和它的隔间。该技术基于使用含有硅空位（SiV）色心的单个多晶金刚石颗粒。由于在其晶间边界处存在无定形碳，这种颗粒是有效的光吸收剂，并且在被激光照射时成为局部热源。此外，这种局部加热器的温度通过SiV中心的零声子线的光谱位移来跟踪[2]。因此，金刚石颗粒同时充当加热器和温度计。在目前的工作中，我们证明了这种金刚石加热器温度计（DHT）局部改变温度的能力，这是对纳米级生物体起决定性作用的众多参数之一。特别是，我们表明，相对于环境温度（22 °C）的11-12 °C的局部加热旁边的单个HeLa细胞和神经元，从小鼠海马分离，导致细胞内游离钙离子浓度分布的变化。对于单个HeLa细胞，观察到Fluo-4 NW荧光的积分强度长期（约30 s）增加约3倍，其特征在于细胞质中游离钙的[Ca 2 +]cyt浓度增加。加热小鼠海马神经元附近也引起钙激增-Fluo-4 NW荧光强度增加30%，持续时间约0.4 ms。
2022-12-30 physics.bio-ph
Infrared Surface-Plasmon-Resonance -- a novel biophysical tool for studying living cell
讨论了基于傅里叶变换红外光谱（FTIR）的表面等离子体共振（SPR）技术。我们探讨了潜在的红外表面等离子体共振技术在水溶液中的生物学研究，并将其与传统的表面等离子体技术在可见光范围内操作。我们证明，SPR技术在红外范围内的灵敏度并不低，事实上甚至更高。我们展示了几个应用FTIR-SPR进行生物学研究的例子：（i）监测溶液中的D-葡萄糖浓度，以及（ii）测量悬浮液中红细胞对D-葡萄糖的摄取。我们强调的优势，红外SPR研究活细胞培养，并显示这种技术可以用于表征（i）胆固醇渗透到质膜，和（ii）转铁蛋白诱导的网格蛋白介导的内吞作用。
2010-02-03 physics.bio-ph physics.med-ph
Coexistence and efficiency of normal and anomalous transport by molecular motors in living cells
最近的实验揭示了各种纳米颗粒的被动亚扩散和在活生物细胞的分子拥挤环境中通过分子马达的这种颗粒的异常主动运输。被动和主动微观流变学揭示，这种异常动力学的起源是由于细胞内流体的粘弹性。分子马达如何在如此高粘性、耗散性的环境中发挥作用？我们能否解释所观察到的驱动蛋白马达对100 ~ 500 nm大小的相对较大颗粒的异常运输与相同分子马达对较小颗粒的正常运输的共存？分子马达在反常输运区的效率是多少？在这里，我们回答这些看似矛盾的问题，并始终解释实验结果的推广众所周知的连续扩散模型的分子马达与两个构象状态，其中包括粘弹性效应。
2013-09-26 physics.bio-ph q-bio.SC
Living Capillary Bridges
本研究通过实验和三维模拟发现，受限细胞聚集体形成活体毛细桥，其稳定性由细胞生长与铺展竞争决定，破裂受板间距控制，并展现出类似颗粒物质的堵塞硬化及分裂增强变薄，提出活性软物质新行为类别。
2025-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanical complexity of living cells can be mapped onto simple homogeneous equivalents
研究通过计算机模拟证明，具有异质内部的活细胞可被分配体积平均弹性模量的均匀等效细胞有效替代，该等效模型能定量重现非均质细胞在压缩、剪切和通道流中的力学行为。
2023-05-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mean-field interactions between living cells in linear and nonlinear elastic matrices
Tel Aviv University（特拉维夫大学）
该研究分析活细胞在弹性基质中的平均场相互作用，通过球、柱对称模型结合线性与非线性弹性理论，揭示细胞收缩力受相邻细胞及基质力学特性的影响规律。
2026-08-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
A statistical analysis of particle trajectories in living cells
分子生物学和荧光显微镜成像的最新进展使活细胞中单分子动力学的推断成为可能。这种推断允许确定细胞的组织和功能。用跟踪算法计算的细胞中颗粒的轨迹可以用扩散过程建模。三种类型的扩散被认为是：（i）自由扩散;（ii）subdiffusion或（iii）superdiffusion。均方位移（MSD）通常用于确定活细胞中颗粒的不同类型的动力学（Qian，Sheetz和Elson 1991）。在这里，我们提出了一个非参数的三决策测试作为替代的MSD方法。对原假设--自由扩散--的拒绝伴随着对替代方向（亚扩散或超扩散）的主张。例如，我们研究了在原假设下以及在生物物理学文献中目前考虑的参数替代方案下（Monnier et al，2012）检验统计量的渐近行为。此外，我们调整Benjamini和Hochberg（2000）的程序，以适应三决策测试设置，以便将测试程序应用于独立轨迹的集合。通过蒙特卡罗实验证实了该方法的性能优于MSD方法。该方法被证明对应于在荧光显微镜观察到的蛋白质动力学的真实数据集。
2017-09-13 physics.bio-ph stat.AP
Automated three-dimensional single cell phenotyping of spindle dynamics, cell shape, and volume
我们提出了活细胞中的3D特征发现和跟踪算法，并展示了它们在细胞生物学过程中测量重要指标的实用性。我们开发了一种计算成像混合方法，该方法将点状特征的自动三维跟踪与表面确定相结合，从中可以提取细胞（或细胞核）的体积、形状和感兴趣的平面。验证后，我们应用该技术的真实空间上下文丰富的动态的有丝分裂纺锤体，细胞体积及其与纺锤体长度的关系，在分裂活细胞。这些方法对于芽殖酵母中的前期后期和后期纺锤体群体的自动化分离也是有用的。我们发现，基因缺失的酵母驱动蛋白-5有丝分裂电机cin 8导致大的母细胞和子细胞是无法区分的基础上的大小，并在这些细胞的纺锤体长度变得与细胞大小无关。该技术可用于可视化和量化相对于细胞边界表面地标（如细胞分裂平面）的跟踪特征坐标，并将能够推进活细胞中非平衡过程的研究。
2015-04-03 physics.bio-ph
Taxonomy for Engineered Living Materials
工程活性材料（ELMs）是当代材料科学和工程领域最重要的革命。这些ELM旨在超越当前的“智能”、活性或多功能材料，实现无数的工业和社会应用。“活的”材料促进了独特的特性，包括自主性，智能反应，自我修复，甚至自我复制。在这一新兴领域，大多数评论和文献将ELMs分为生物ELMs和杂交活体材料，生物ELMs仅由细胞组成，杂交活体材料由非生物底盘和活细胞组成。考虑到活材料最相关的特征是它们由（或包括）活细胞集落和微生物组成，我们认为ELMs应该以不同的方式进行分类和呈现，与生命分类学相比，与材料科学学科更相关。为了解决目前对ELMs分类的需求，本研究提出了第一个完整的建议，这些ELMs分类。在这里，生命分类和材料分类是分层混合的。一旦所提出的分类法的解释，其适用性进行了说明，通过分类的几个例子的生物ELMs和混合生活材料，其效用在这一领域的指导研究进行了分析。最后，可能的修改和改进进行了讨论，并呼吁合作，在这个复杂的多学科领域的进展。
2021-10-17 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
Weak ergodicity breaking of receptor motion in living cells stemming from random diffusivity
生命系统中的分子运输调节着许多生物功能的基础过程。虽然许多细胞成分表现出异常扩散，直到最近才亚扩散运动与非遍历行为。这些发现在统计力学和细胞生物学中引起了新的问题。非遍历性是生命系统共有的策略吗？是什么物理机制产生的？它对生物功能有什么影响？在这里，我们使用单粒子跟踪来证明，DC-SIGN，一种具有独特的病原体识别能力的受体的运动，揭示了活细胞膜上的非遍历亚扩散。与以往的研究相比，这种行为与瞬时制动不相容，因此不能用连续时间随机游走理论来解释。我们表明，受体经历的扩散率的变化，与目前的细胞膜作为一个高度动态和多样化的环境。基于复杂介质中普通随机游走模型的模拟定量再现了我们所有的观察结果，指出扩散异质性是DC-SIGN行为的原因。通过研究不同的受体突变体，我们进一步将受体运动与其分子结构联系起来，从而在非遍历性和生物学功能之间建立了强有力的联系。这些结果强调了细胞膜紊乱的作用及其与功能调节的联系。由于其通用性，我们的方法提供了一个框架来解释其他复杂介质中的异常传输，其中动态异质性可能起主要作用，例如，在软凝聚态、地质学和生态学中的应用。
2015-03-05 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Elastic Properties of Nematic Liquid Crystals Formed by Living and Migrating Cells
在培养中，迁移和相互作用的变形虫细胞可以形成双相液晶相。如果相互作用具有极对称性，则形成极性双折射液晶。一种类型的白细胞（粒细胞）形成细胞朝向中心的簇。这种取向缺陷（向错）的核心是被迫处于各向同性状态的粒细胞或另一种细胞类型，如单核细胞。如果相互作用具有非极性对称性，则形成非极性液晶。不同的细胞类型如人黑素细胞（=皮肤色素细胞）、人成纤维细胞（=结缔组织细胞）、人成骨细胞（=骨细胞）、人脂肪细胞（=脂肪细胞）等，形成非极性双折射液晶。导出了液晶的取向弹性能，研究了液晶的取向缺陷（向错）。半数向错的存在表明，α相具有非极性对称性。取向弹性常数及其绝对值的密度和序参量的依赖性进行了估计。从缺陷结构中，发现展曲弹性常数小于弯曲弹性常数（黑色素细胞）。向错的核心是无晶胞空间，或被非定向晶胞（各向同性相）占据，或被具有不同对称性的晶胞占据，或被另一种晶胞类型占据。
1998-11-25 physics.bio-ph q-bio
Information storing by biomagnetites
自从发现生物磁铁矿存在于活的生物体中以来，人们一直在猜测这些生物磁铁矿在细胞过程中所起的作用。生物磁铁矿晶体的形成似乎是一种普遍现象，在活细胞中也不例外。许多实验事实表明，有机和无机过程的特征在纳米尺度上是难以区分的。活细胞是量子“装置”，而不是仅仅利用传导电子的电荷的简单电子装置。在我们看来，由于其不寻常的生物物理特性，特殊的生物磁铁矿必须在一般的活细胞中，特别是在大脑中具有生物学功能。在本文中，我们提出了一个假设，而生物磁铁是共同开发的有机分子和细胞中的细胞电磁场，它们可以记录信息的地球磁矢量位的整个飞行中的候鸟。
2010-12-13 physics.bio-ph quant-ph
A thermodynamic paradigm for solution demixing inspired by nuclear transport in living cells
活细胞显示出将其功能性生物化学区分开来的非凡能力。一个特别有趣的例子是细胞核。细胞核和周围细胞质之间的大分子交换不涉及穿过脂质双层膜。相反，被称为核孔的大型蛋白质通道穿过核膜并调节其他蛋白质和RNA分子的通过。除了简单的门控扩散，核孔和相关的转运受体系统能够产生大量的浓度梯度，以三磷酸鸟苷（GTP）水解为能量代价。与反渗透或透析等传统的分层方法相比，生物系统连续运行，无需施加压力或溶剂交换的循环变化。抽象的生物范例，我们研究这个运输系统作为一个热力学机器的解决方案分层。自由能转导和生化动力学的建设上，我们发现的条件稳定的操作和优化的浓度梯度作为一个功能的耗散形式的熵产生。
2017-02-03 physics.bio-ph q-bio.SC
Gaussian fluctuation of the diffusion exponent of virus capsid in a living cell nucleus
在他们的工作[Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112（2015）E5725]，Bosse等人通过实验表明，病毒衣壳在活细胞的细胞核中不仅表现出正常扩散，而且表现出异常扩散。在那里，发现表征它们的扩散指数波动的分布呈现高斯形式，这对于两种不同类型的病毒是非常显著的相同形式。这表明这种波动具有很强的鲁棒性。本文研究了病毒衣壳在细胞核内扩散指数局部波动的统计特性。一个最大熵原理的方法（最初提出了一个不同的病毒在不同的细胞）适用于获得指数的波动分布。根据实验数据，还检查了与染色质间皮层的局部区域识别的块的数量的大。它表明，高斯分布的本地起伏可以推导出，按照上述形式。此外，它是量化的波动分布在一个长的时间尺度上是如何不同于高斯分布。
2018-04-05 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Active emulsions in living cell membranes driven by contractile stresses and transbilayer coupling
细胞表面蛋白质和脂质的时空组织对信号传导、分选和内吞作用具有直接的功能性后果。早期的研究表明，多种类型的膜蛋白，包括具有细胞质肌动蛋白结合能力的跨膜蛋白和脂质束缚的GPI锚定蛋白（GPI-AP），形成由肌动蛋白皮质产生的主动收缩流驱动的纳米级簇。为了深入了解脂质在活细胞中组织膜结构域的作用，我们研究了促进GPI-AP和跨膜蛋白的积极生成的纳米簇的分子相互作用。这激发了理论描述，其中主动收缩应力和跨双层耦合的组合驱动活性乳液、GPI-AP和脂质的中尺度液体有序（lo）域在大于平衡脂质相分离的温度下的产生。为了测试这些想法，我们使用空间成像的homo-FRET结合本地膜秩序，并证明介观域丰富的GPI-AP的纳米簇保持皮层肌动蛋白活性和transbilayer相互作用，并表现出显着的脂质秩序，与预测的活性复合模型一致。
2022-04-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Many-body interactions between contracting living cells
Shamoon College of Engineering（沙蒙工程学院）；Tel Aviv University（特拉维夫大学）；Hiroshima University（广岛大学）
该研究将细胞建模为球形主动力偶极子，揭示了活细胞间多体相互作用的非线性效应，发现细胞位置调控会改变多体作用能量与两体叠加结果的差异，强调研究邻近细胞力学需考虑高阶相互作用。
2026-08-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mapping The Ultrafast Flow Of Harvested Solar Energy In Living Photosynthetic Cells
光合作用通过一系列天线复合物有效地将能量转移到发生电荷分离的反应中心。体内能量转移主要通过测量来自小部分激发的荧光信号来监测，所述小部分激发未能导致电荷分离。在这里，我们使用二维电子光谱跟踪整个能量转移过程中的紫色细菌，球形红细菌的蓬勃发展的文化。通过去除散射光的贡献，我们提取了通过天线复合物的密集网络进入反应中心的能量转移的动力学。模拟表明，这些动态约束膜组织的核心天线复合物，迅速捕获周围的外周天线复合物吸收的能量的小池。这些激发的快速捕获和有限的反向转移导致83%的转移效率和小的功能性捕光单元。
2017-06-24 physics.bio-ph
