活细胞中单分子反常扩散与输运理论

采用连续时间随机走模型、随机过程主方程和分数动力学微分方程的方法，研究生物单分子在活细胞膜、细胞内和细胞核膜上的扩散与输运。根据细胞膜的液态镶嵌式和尖桩篱栅式两种模型，模拟生物单分子跟踪实验的结果，对过去关于细胞膜上的扩散系数，理论值比实验值大5至50倍的现象，以及与此相关的争论做出合理的解释；仔细地研究生物单分子尺寸、细胞大小、形状和结构对生物单分子在细胞内扩散的影响，得到正确的扩散系数；单分子跟踪是目前唯一能探测到单分子选择性地穿越核膜上微孔复合体的技术，我们将用偏向扩散（在分数动力学方程中加上力的作用）的方法, 模拟实验结果。通过本项目的研究，将建立一套与传统的无限大空间扩散理论有很大区别的新的理论框架 - 三维有限空间的反常扩散与输运理论。用于阐明生物单分子在活细胞中反常扩散与输运过程的动力学机制，近一步明确生物单分子的扩散与生物功能的关系，揭示生物单分子在细胞中的运动规律。

近十来发展起来的活细胞中单分子跟踪技术，可以观测到单分子在活细胞中的运动轨迹。怎样理解活细胞中单分子反常扩散与输运的机制？科学家已提出了陷阱、复杂拥挤的环境、粘性系统和时间依赖性扩散系数四种物理模型，但至今仍有争议。我们用陷阱和复杂拥挤环境的物理模型，采用连续时间随机走和分数动力学微分方程的方法，抓住细胞空间有限的特点，把一维模型发展为三维有限空间中单分子的反常扩散与输运理论。自然细胞是三维的，过去较为成熟的一维扩散模型，并不能完全包括细胞中单分子反常扩散的所有特征，因此我们的三维理论应该更符合实际的情况。