Vytvářejí se zmenšené rozměry - Reduced dimensions form - Wikipedia

v biofyzika a související pole, formy se sníženou dimenzí jsou jedinečné mechanismy zapnutí a vypnutí pro náhodné procházky které generují dvoustavové trajektorie (viz obr. 1 pro příklad RDF a obr. 2 pro příklad dvoustavové trajektorie). Ukázalo se, že RDF řeší dvoustavové trajektorie, protože z dat lze sestavit pouze jeden RDF,[1] kde tato vlastnost neplatí pro kinetická schémata zapnuto-vypnuto, kde lze z určité dvoustavové trajektorie (dokonce z ideální trajektorie zapnuto-vypnuto) vytvořit mnoho kinetických schémat. Dvoustavové časové trajektorie jsou velmi časté při měřeních v chemii, fyzice a biofyzice jednotlivé molekuly [2][3] (např. měření dynamiky bílkovin a Dynamika DNA a RNA,[4][5][6][7][8][9][10] činnost iontové kanály,[11][12][13] aktivita enzymu,[14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24] kvantové tečky [25][26][27][28][29][30][31][32]), čímž se RDF staly důležitým nástrojem při analýze dat v těchto oblastech.

Vzhledem k tomu, že RDF jsou jedinečně získávány z dat,[33][34] mají mnoho výhod oproti jiným matematickým a statistickým metodám, které byly vyvinuty pro řešení dvoustavových trajektorií.[35][36][37][38][39][40][41][42][43][44][45][46][47]

Obrázek 1 RDF 3 na 3
Obrázek 2 Dvoustavové trajektorie

Popis RDF

RDF je mřížka substrátů, každý substrát představuje buď zapnutý nebo vypnutý stav a má určitý počet (viz obrázek 1). Spojení jsou pouze mezi substráty různých stavů. Simulace trajektorie zapnutí a vypnutí z RDF se provádí pomocí zobecněného Gillespieho algoritmus, kde se zde náhodný skokový čas nejprve vezme z funkcí hustoty, které (obvykle) nejsou exponenciální metoda odmítnutí, a poté je vybrán konkrétní další substrát podle pravděpodobností skákání, které jsou určeny z funkcí hustoty pravděpodobnosti doby skákání. RDF může mít nevratná spojení, přesto generuje trajektorii zapnutí a vypnutí, která má vlastnost mikroskopická reverzibilita, což znamená, že fyzický systém kolísá kolem rovnováhy.

Dvoustavové trajektorie

Dvoustavová trajektorie je kolísavý signál z období zapnutí a vypnutí; období zapnutí a poté období vypnutí atd. (viz obr. 2). Ve většině případů, kdy se tento signál objevuje v aplikacích ve vědě, je trajektorie náhodná; to znamená, že se mění doba zapnutí a vypnutí a je to náhodná veličina. Na trajektorii mohou existovat korelace; např. když vidíme krátké období vypnutí a další období zapnutí je relativně dlouhé (tj. dlouhé s velkou pravděpodobností), řekneme, že existují korelace off-on. V zásadě existují 4 nezávislé typy korelací ve dvoustavových trajektoriích: zapnuto-zapnuto, zapnuto-vypnuto, vypnuto-zapnuto a vypnuto-vypnuto. Dvoustavové trajektorie lze získat z on-off kinetická schémata, RDF nebo jiné stochastické pohybové rovnice (s jasnou definicí zapnutí a vypnutí). V experimentech z jednotlivé molekuly, běžné jsou dvoustavové trajektorie, kde z trajektorie usilujeme o nalezení správného modelu procesu.[48]

Využití RDF při řešení dvoustavových trajektorií

Vlastnosti RDF při řešení dvoustavových trajektorií

Obrázek 3 Dvoustavová trajektorie, RDF a kinetická schémata a vztahy mezi nimi.

Bylo ukázáno v Ref. 1[1] že RDF jsou jedinečné, je pocit, že konkrétní RDF generuje určitou časovou trajektorii (ve statistickém smyslu) a časová trajektorie je spojena pouze s jedním RDF. Tato vlastnost neplatí pro kinetická schémata zapnuto-vypnuto, kde z trajektorie lze vytvořit několik kinetických schémat; viz například.[1] RDF jsou také konstruovány spolehlivěji z dat než kinetická schémata.[33] Obrázek 3 ilustruje RDF, kinetická schémata a dvoustavové trajektorie a vztahy mezi nimi. Vzhledem k dvoustavové trajektorii (generované z jakéhokoli mechanismu) je bezpečnější přejít z dat a sestrojit RDF, než se pokoušet konstruovat kinetické schéma z dat přímo. S vytvořeným RDF lze velmi přesně najít několik možných kinetických schémat (obvykle se nakonec pokusíme z dat sestavit kinetické schéma), kde jsou všechna kinetická schémata ekvivalentní (s ohledem na data).

Software RDF

  • Na základě RDF je navržen software pro odvození správných mechanismů od skutečných dat (např. Dvoustavové trajektorie).[49] Na obrázku 4 jsou uvedeny cíle softwaru. Software je pojmenován RDF.
Obrázek 4 Zde jsou ukázány fáze softwaru: nejprve se vydejte hlučnou trajektorií a vyčistěte ji; poté najděte RDF z vyčištěných dat. Nakonec navrhněte soubor kinetických schémat, která mohou souviset s nalezeným RDF. Software by měl také představovat možnost numerických simulací hlučných časových trajektorií.

Reference

  1. ^ A b C Flomenbom, O .; Silbey, R. J. (10.7.2006). „Využití informačního obsahu ve dvoustavových trajektoriích“. Sborník Národní akademie věd. Sborník Národní akademie věd USA. 103 (29): 10907–10910. doi:10.1073 / pnas.0604546103. ISSN  0027-8424. PMC  1544147. PMID  16832051.
  2. ^ Moerner, W. E. (1999-03-12). "Svítí jednotlivé molekuly v kondenzované hmotě". Věda. Americká asociace pro rozvoj vědy (AAAS). 283 (5408): 1670–1676. doi:10.1126 / science.283.5408.1670. ISSN  0036-8075. PMID  10073924.
  3. ^ Weiss, S. (1999-03-12). "Fluorescenční spektroskopie jednotlivých biomolekul". Věda. Americká asociace pro pokrok ve vědě (AAAS). 283 (5408): 1676–1683. doi:10.1126 / science.283.5408.1676. ISSN  0036-8075. PMID  10073925.
  4. ^ Schuler, Benjamin; Lipman, Everett A .; Eaton, William A. (2002). „Sondování povrchu volné energie pro skládání proteinů pomocí jednomolekulární fluorescenční spektroskopie“. Příroda. Springer Nature. 419 (6908): 743–747. doi:10.1038 / nature01060. ISSN  0028-0836. PMID  12384704. S2CID  1356830.
  5. ^ Yang, H. (10. 10. 2003). "Dynamika konformační dynamiky sondovaná přenosem elektronu s jednou molekulou". Věda. Americká asociace pro pokrok ve vědě (AAAS). 302 (5643): 262–266. doi:10.1126 / science.1086911. ISSN  0036-8075. PMID  14551431. S2CID  18706150.
  6. ^ Min, Wei; Luo, Guobin; Cherayil, Binny J .; Kou, S. C .; Xie, X. Sunney (2005-05-18). "Pozorování jádra paměti Power-Law pro fluktuace v jedné molekule proteinu". Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 94 (19): 198302. doi:10.1103 / physrevlett.94.198302. ISSN  0031-9007. PMID  16090221.
  7. ^ Rhoades, E .; Gussakovsky, E .; Haran, G. (2003-02-28). „Sledování proteinů, jak skládají jednu molekulu najednou“. Sborník Národní akademie věd. 100 (6): 3197–3202. doi:10.1073 / pnas.2628068100. ISSN  0027-8424. PMC  152269. PMID  12612345.
  8. ^ Zhuang, X. (2002-05-24). "Korelační strukturní dynamika a funkce v jednotlivých ribozymových molekulách". Věda. Americká asociace pro rozvoj vědy (AAAS). 296 (5572): 1473–1476. doi:10.1126 / science.1069013. ISSN  0036-8075. PMID  12029135. S2CID  9459136.
  9. ^ Barsegov, V .; Thirumalai, D. (10.10.2005). "Probing Protein-Protein Interactions by Dynamic Force Correlation Spectroscopy". Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 95 (16): 168302. arXiv:cond-mat / 0509115. doi:10.1103 / fyzrevlett.95.168302. ISSN  0031-9007. PMID  16241846. S2CID  14446240.
  10. ^ Kolomeisky, Anatoly B .; Fisher, Michael E. (2000-12-22). "Rozšířené kinetické modely s distribucí čekací doby: Přesné výsledky". The Journal of Chemical Physics. Publikování AIP. 113 (24): 10867–10877. arXiv:cond-mat / 0007455. doi:10.1063/1.1326912. ISSN  0021-9606. S2CID  16409209.
  11. ^ NIKDY, ERWIN; SAKMANN, BERT (1976). "Jednokanálové proudy zaznamenané z membrány denervovaných žabích svalových vláken". Příroda. Springer Science and Business Media LLC. 260 (5554): 799–802. doi:10.1038 / 260799a0. ISSN  0028-0836. PMID  1083489. S2CID  4204985.
  12. ^ Kasianowicz, J. J .; Brandin, E .; Branton, D .; Deamer, D. W. (1996-11-26). "Charakterizace jednotlivých polynukleotidových molekul pomocí membránového kanálu". Sborník Národní akademie věd. Sborník Národní akademie věd USA. 93 (24): 13770–13773. doi:10.1073 / pnas.93.24.13770. ISSN  0027-8424. PMC  19421. PMID  8943010.
  13. ^ Kullman, Lisen; Gurnev, Philip A .; Winterhalter, Mathias; Bezrukov, Sergey M. (2006-01-23). „Funkční subkonformace při skládání proteinů: důkazy z jednokanálových experimentů“. Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 96 (3): 038101-038104. doi:10.1103 / physrevlett.96.038101. ISSN  0031-9007. PMID  16486775.
  14. ^ Lu, H. P .; Xun, L .; Xie, X. S. (04.12.1998). „Enzymatická dynamika jedné molekuly“. Věda. Americká asociace pro rozvoj vědy (AAAS). 282 (5395): 1877–1882. doi:10.1126 / science.282.5395.1877. PMID  9836635.
  15. ^ Edman, Lars; Földes-Papp, Zeno; Wennmalm, Stefan; Rigler, Rudolf (1999). "Kolísající enzym: přístup jedné molekuly". Chemická fyzika. Elsevier BV. 247 (1): 11–22. doi:10.1016 / s0301-0104 (99) 00098-1. ISSN  0301-0104.
  16. ^ Velonia, Kelly; Flomenbom, Ophir; Loos, Davey; Masuo, Sadahiro; Cotlet, Mircea; Engelborghs, Yves; Hofkens, Johan; Rowan, Alan E .; Klafter, Joseph; Nolte, Roeland J. M .; de Schryver, Frans C. (2005-01-14). „Single-Enzyme Kinetics of CALB-Catalyzed Hydrolýza“. Angewandte Chemie International Edition. Wiley. 44 (4): 560–564. doi:10.1002 / anie.200460625. ISSN  1433-7851. PMID  15619259.
  17. ^ Flomenbom, O .; Velonia, K .; Loos, D .; Masuo, S .; Cotlet, M .; et al. (04.02.2005). „Natažený exponenciální rozpad a korelace v katalytické aktivitě fluktuujících jednotlivých lipázových molekul“. Sborník Národní akademie věd. 102 (7): 2368–2372. doi:10.1073 / pnas.0409039102. ISSN  0027-8424. PMC  548972. PMID  15695587.
  18. ^ Angličtina, Brian P; Min, Wei; van Oijen, Antoine M; Lee, Kang Taek; Luo, Guobin; et al. (2005-12-25). „Stále se měnící jednotlivé molekuly enzymu: Michaelis-Mentenova rovnice se znovu objevila“. Přírodní chemická biologie. Springer Science and Business Media LLC. 2 (2): 87–94. doi:10.1038 / nchembio759. ISSN  1552-4450. PMID  16415859. S2CID  2201882.
  19. ^ Agmon, Noam (2000). "Konformační cyklus jediného pracovního enzymu". The Journal of Physical Chemistry B. Americká chemická společnost (ACS). 104 (32): 7830–7834. doi:10.1021 / jp0012911. ISSN  1520-6106.
  20. ^ Qian, Hong; L. Elson, Elliot (2002). „Jednomolekulární enzymologie: stochastická kinetika Michaelis – Menten“. Biofyzikální chemie. Elsevier BV. 101-102: 565–576. doi:10.1016 / s0301-4622 (02) 00145-x. ISSN  0301-4622. PMID  12488027.
  21. ^ Kou, S. C .; Cherayil, Binny J .; Min, Wei; Angličtina, Brian P .; Xie, X. Sunney (2005). „Single-Molecule Michaelis-Menten Equations“. The Journal of Physical Chemistry B. Americká chemická společnost (ACS). 109 (41): 19068–19081. doi:10.1021 / jp051490q. ISSN  1520-6106. PMID  16853459.
  22. ^ Sung, Jaeyoung; Silbey, Robert J. (2005). "Počítání statistik reakcí jedné molekuly a reakční dynamiky jedné molekuly". Dopisy o chemické fyzice. Elsevier BV. 415 (1–3): 10–14. doi:10.1016 / j.cplett.2005.08.057. ISSN  0009-2614.
  23. ^ Shaevitz, Joshua W .; Block, Steven M .; Schnitzer, Mark J. (2005). "Statistická kinetika makromolekulární dynamiky". Biofyzikální deník. Elsevier BV. 89 (4): 2277–2285. doi:10.1529 / biophysj.105.064295. ISSN  0006-3495. PMC  1366729. PMID  16040752.
  24. ^ Goychuk, Igor; Hänggi, Peter (2004-11-24). "Frakční difúzní modelování hradlování iontových kanálů". Fyzický přehled E. 70 (5): 051915. arXiv:fyzika / 0407105. doi:10.1103 / fyzreve.70.051915. ISSN  1539-3755. PMID  15600664. S2CID  6025860.
  25. ^ Nie, S; Chiu, D .; Zare, R. (11. 11. 1994). "Sondování jednotlivých molekul konfokální fluorescenční mikroskopií". Věda. Americká asociace pro pokrok ve vědě (AAAS). 266 (5187): 1018–1021. doi:10.1126 / science.7973650. ISSN  0036-8075. PMID  7973650.
  26. ^ Shusterman, Roman; Alon, Sergey; Gavrinyov, Tatyana; Krichevsky, Oleg (2004-01-29). „Dynamika monomeru v polymerech s dvojitým a jedním vláknem DNA“. Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 92 (4): 048303. doi:10.1103 / physrevlett.92.048303. ISSN  0031-9007. PMID  14995414.
  27. ^ Zumofen, Gert; Hohlbein, Johannes; Hübner, Christian G. (2004-12-20). "Opakování a statistika fotonů ve fluktuační fluktuační spektroskopii". Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 93 (26): 260601. doi:10.1103 / physrevlett.93.260601. ISSN  0031-9007. PMID  15697961.
  28. ^ Cohen, A.E .; Moerner, W. E. (2006-03-14). „Potlačení Brownova pohybu jednotlivých biomolekul v roztoku“. Sborník Národní akademie věd. 103 (12): 4362–4365. doi:10.1073 / pnas.0509976103. ISSN  0027-8424. PMC  1450176. PMID  16537418.
  29. ^ Dickson, Robert M .; Cubitt, Andrew B .; Tsien, Roger Y .; Moerner, W. E. (1997). "Blikání a přepínání chování jednotlivých molekul zeleného fluorescenčního proteinu". Příroda. Springer Nature. 388 (6640): 355–358. doi:10.1038/41048. ISSN  0028-0836. PMID  9237752.
  30. ^ Chung, Inhee; Bawendi, Moungi G. (10.10.2004). "Vztah mezi přerušováním jedné kvantové tečky a intenzitou fluorescence klesá ze sbírek teček". Fyzický přehled B. Americká fyzická společnost (APS). 70 (16): 165304. doi:10.1103 / fyzrevb.70.165304. ISSN  1098-0121.
  31. ^ Barkai, Eli; Jung, YounJoon; Silbey, Robert (2004). „TEORIE JEDNOMOLEKULOVÉ SPEKTROSKOPIE: Za průměrem souboru“. Roční přehled fyzikální chemie. Výroční recenze. 55 (1): 457–507. doi:10.1146 / annurev.physchem.55.111803.143246. ISSN  0066-426X. PMID  15117260.
  32. ^ Tang, Jau; Marcus, R. A. (2005-11-22). „Průměr jedné částice versus soubor: Od střídání mocniny a zákona jedné kvantové tečky po kvazistretched exponenciální rozpad fluorescence souboru“. The Journal of Chemical Physics. Publikování AIP. 123 (20): 204511. doi:10.1063/1.2128409. ISSN  0021-9606. PMID  16351285.
  33. ^ A b Flomenbom, O .; Silbey, R. J. (2008-12-15). "Sada nástrojů pro analýzu konečných dvoustavových trajektorií". Fyzický přehled E. Americká fyzická společnost (APS). 78 (6): 066105. doi:10.1103 / physreve.78.066105. hdl:1721.1/51348. ISSN  1539-3755. PMID  19256903. S2CID  16196911.
  34. ^ O Flomenbom, Adv. Chem. Phys., V tisku (2011).
  35. ^ Horn, R .; Lange, K. (1983). "Odhad kinetických konstant z jednokanálových dat". Biofyzikální deník. Elsevier BV. 43 (2): 207–223. doi:10.1016 / s0006-3495 (83) 84341-0. ISSN  0006-3495. PMC  1329250. PMID  6311301.
  36. ^ Qin, Feng; Auerbach, Anthony; Sachs, Frederick (2000). „Přímý přístup k optimalizaci skrytého Markovova modelování pro jednokanálovou kinetiku“. Biofyzikální deník. Elsevier BV. 79 (4): 1915–1927. doi:10.1016 / s0006-3495 (00) 76441-1. ISSN  0006-3495. PMC  1301083. PMID  11023897.
  37. ^ Bruno, W. J .; Yang, J .; Pearson, J. E. (2005-04-20). „Použití nezávislých přechodů otevřeno-zavřeno ke zjednodušení agregovaných Markovových modelů kinetiky hradlování iontových kanálů“. Sborník Národní akademie věd. 102 (18): 6326–6331. doi:10.1073 / pnas.0409110102. ISSN  0027-8424. PMC  1088360. PMID  15843461.
  38. ^ Bauer, R.J .; Bowman, B.F .; Kenyon, J. L. (1987). „Teorie kinetické analýzy dat patch-clamp“. Biofyzikální deník. Elsevier BV. 52 (6): 961–978. doi:10.1016 / s0006-3495 (87) 83289-7. ISSN  0006-3495. PMC  1330095. PMID  2447973.
  39. ^ Kienker, P. (1989-04-22). "Ekvivalence agregovaných Markovových modelů hradlování iontových kanálů". Sborník Královské společnosti B: Biologické vědy. Královská společnost. 236 (1284): 269–309. doi:10.1098 / rspb.1989.0024. ISSN  0962-8452. PMID  2471201. S2CID  29761646.
  40. ^ Fredkin, Donald R .; Rice, John A. (1986). "Na agregovaných Markovových procesech". Journal of Applied Probability. Cambridge University Press (CUP). 23 (1): 208–214. doi:10.2307/3214130. ISSN  0021-9002. JSTOR  3214130.
  41. ^ Colquhoun, D .; Hawkes, A. G. (1982-12-24). „O stochastických vlastnostech výbuchů otvorů s jedním iontovým kanálem a klastrů výbuchů“. Filozofické transakce Královské společnosti B: Biologické vědy. Královská společnost. 300 (1098): 1–59. doi:10.1098 / rstb.1982.0156. ISSN  0962-8436. PMID  6131450.
  42. ^ Song, L .; Magleby, K.L. (1994). „Testování mikroskopické reverzibility v hradle maxi K + kanálů pomocí dvourozměrných časových prodlev“. Biofyzikální deník. Elsevier BV. 67 (1): 91–104. doi:10.1016 / s0006-3495 (94) 80458-8. ISSN  0006-3495. PMC  1225338. PMID  7919030.
  43. ^ Cao, Jianshu (2000). "Průměry měření kinetiky jedné molekuly v případě událostí". Dopisy o chemické fyzice. Elsevier BV. 327 (1–2): 38–44. doi:10.1016 / s0009-2614 (00) 00809-5. ISSN  0009-2614.
  44. ^ Vlad, M. O .; Moran, F .; Schneider, F. W .; Ross, J. (12. 9. 2002). „Efekty paměti a oscilace v kinetice jedné molekuly“. Sborník Národní akademie věd USA. Sborník Národní akademie věd. 99 (20): 12548–12555. doi:10.1073 / pnas.192439099. ISSN  0027-8424. PMC  130497. PMID  12228729.
  45. ^ Yang, Shilong; Cao, Jianshu (2002-12-22). "Přímé měření paměťových efektů v kinetice jedné molekuly". The Journal of Chemical Physics. Publikování AIP. 117 (24): 10996–11009. doi:10.1063/1.1521155. ISSN  0021-9606.
  46. ^ Šanda, F., & Mukamel, S. (2006) J. Chem. Phys. 108, 124103-1-15.
  47. ^ Allegrini, Paolo; Aquino, Gerardo; Grigolini, Paolo; Palatella, Luigi; Rosa, Angelo (2003-11-25). „Zobecněná hlavní rovnice stárnutím náhodných procházek v nepřetržitém čase. Fyzický přehled E. Americká fyzická společnost (APS). 68 (5): 056123. doi:10.1103 / physreve.68.056123. ISSN  1063-651X. PMID  14682862.
  48. ^ Flomenbom, Ophir; Klafter, Joseph; Szabo, Attila (2005). „Co se člověk může naučit z dvousložkových jedno molekulárních trajektorií?“. Biofyzikální deník. Elsevier BV. 88 (6): 3780–3783. doi:10.1529 / biophysj.104.055905. ISSN  0006-3495. PMC  1305612. PMID  15764653.
  49. ^ Prosím podívej se, http://www.flomenbom.net/codes.html