分子马达的统计物理研究

Protein motors are enzymes that convert chemical energy into mechanical work. The mechanism of mechanochemical coupling of these motors has been a focus of theoretical studies. In this project, we will attempt to utilize the fluctuation information (e.g., randomness) contained in the single-molecule experimental data to investigate this issue. Furthermore, we will build new models of multi-motor transport systems, including the micro-states (i.e., the internal chemical states) of each single motor. By using stochastic simulations, we will investigate several typical multi-motor systems such as multi-kinesin system and kinesin-dynein hybrid system, putting our focus on how the chemical states of different motors interplay (e.g., in-phase or out-of-phase) to influence the collective transport.

分子马达是将化学能直接转化成力学能的酶蛋白，其力学-化学耦合机制一直是分子马达理论研究的焦点之一，本项目拟从单分子实验数据中提取涨落信息（例如随机度）研究分子马达的力学化学耦合机制；进而构建包含每个马达化学态的集体马达模型，用随机化学动力学模拟典型集体马达体系（如多驱动马达体系，驱动马达-动力马达杂合体系），重点研究各马达化学态之间的相位关系对集体马达运动协同性的影响。

通过本项目的实施，我们首先研究了线动马达驱动蛋白的力学化学耦合机制，揭示了该马达力学可逆化学不可逆的统计力学难题；其次，我们研究了线动马达DNA复制酶主导的DNA复制保真度，开辟了化学动力学研究模板链聚合保真度的先河，解释了热力学无法解释的高保真难题，该工作被 J.Phys:Condens.Matter 选为2017年度亮点；再次，我们还用首通时间的方法研究了模板依赖的DNA聚合保真度。在集体马达方面，我们避开了速率的计算，直接研究了弹性耦合马达的效率，理论结果与实验数据吻合得很好，为弹性耦合集体马达的研究开辟了新思路；我们也研究了欠阻尼环境中集体马达的行为，为空气中人造布朗马达的集体行为进行了前期探索。此外，我们还开发了转动马达生物传感器，该方法已经被国家质量监督检验检疫总局列为出入境检验检疫替代方案。总之，本项目圆满完成了预定任务。