群体分子马达的协同作用机制及相关动力学研究

Molecular motor is a kind of protein which can convert chemical energy into mechanical energy. It is the leading force of life activities in cells. And it plays a central role in some life processes, such as gene expression, cargo transport, energy transition, cell movement and mitosis etc.The individual dynamics of motors have been extensively studied both experimentally and theoretically. But, in vivo, many works are performed by several motors, and sometimes even by different kinds of motors. But little has been known about the cooperative mechanisms of collective motors. We want to study the cooperative mechanisms and the related dynamics of collective motors in this project. The project includes three parts: (1) the cooperativity of collective motors during cargo transport, especially the mechanism of tug-of-war between dissimilar teams of motors; (2) the cooperative mechanism and dynamics of motors when extracting membrane tube, which will be studied deeply on the basis of our previous studies; (3) the regulation of microtubule dynamics by collective motors, and its results will be used to study the structure and dynamics of mitotic spindles. This project can help us comprehend the cooperativity of collective motors, and can also help us understand the forming and structure of some organelles.

分子马达是一类可以将化学能转化为机械能的蛋白分子，它是细胞生命活动的主导力量，在遗传信息表达、物质输运、能量转化、细胞运动与分裂等生命过程中均扮演着最核心的角色。对于单个分子马达的动力学性质已经有了大量的实验和理论研究，而在细胞中许多工作是通过多个或大量分子马达共同协作完成的，有时甚至出现不同种类的分子马达协同工作，但对于群体分子马达协同工作的机制目前认识还比较有限。本项目拟研究群体分子马达的协同作用机制以及相关动力学问题，主要包括三个方面的内容：1.群体分子马达协同运输货物的动力学机制及相关特性，将重点研究不同种类分子马达双向运输的拔河机制；2.在已有研究基础上进一步深入研究膜管生长过程中的分子马达协作机制及其相关动力学；3.群体分子马达对微管生长的调控机制，并将其结果应用到纺锤体的结构及动力学研究中。该项目研究将有助于我们更好地理解分子马达的协作机制以及了解一些细胞器的形成与结构。

细胞中的分子马达可以将化学能转化为机械能并转运货物，在细胞生理中起着重要作用。对于单个分子马达的动力学性质已经有了大量的实验和理论研究，但在细胞中许多功能是通过多个或大量分子马达共同协作完成的，有时甚至出现不同种类的分子马达协同工作。但是目前对于多马达集体运输的认识还比较有限，依然是一个有待进一步研究的重要课题。在该项目中我们主要研究了分子马达的集体协作行为，主要内容和结论如下：.（1）膜管生长过程的集体马达动力学。在考虑分子马达尾部排斥效应以及马达弹性的条件下，发现膜管上单排分子马达也能产生30pN左右的拉力，并促使膜管的形成。.（2）非持续性分子马达协作的动力学非稳定性。利用棘轮势模型并考虑分子马达的弹性，研究了类肌肉系统的动力学问题。结果表明非持续性分子马达系统的动力学稳定性和马达的弹性有重要关系，当马达的弹性较大时，在F-V曲线中会出现动力学非稳定性且零速度处在非稳定区域，这样的系统容易产生自发振动；而马达弹性较小时零速度处在F-V曲线的非稳定区域以外或不出现动力学非稳定性。.（3）非持续性分子马达协作的高效机制。通过对几种不同模型对比分析，发现在反应坐标中的局域绑定位点和独立的势函数对马达系统的高效协作效率起着重要的作用。.（4）马达的拔河机制以及细胞骨架动力学。通过动力学网络模型分析表明分子马达的脱落力和绑定速率对其拔河的胜负起着很大的作用。对细胞骨架动力学发展出连续动力学方法，为许多类似研究提供一种新的手段。.这些研究有助于我们理解分子马达之间的协作机制以及不同类型肌肉结构差异和功能差异的内在联系，也能为设计高效的人造分子马达系统提供一定的理论参考。.