Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В биофизике и смежных областях формы уменьшенной размерности (RDF) представляют собой уникальные механизмы включения-выключения для случайных блужданий, которые генерируют траектории с двумя состояниями (см. Рисунок 1 для примера RDF и рисунок 2 для примера с двумя состояниями). траектория). Было показано, что RDF решают траектории с двумя состояниями, так как только один RDF может быть построен из данных [1], где это свойство не выполняется для двухпозиционных кинетических схем, где многие кинетические схемы могут быть построены из конкретных двух -состояние траектории (даже от идеальной траектории включения-выключения). Временные траектории с двумя состояниями очень распространены в измерениях в химии, физике и биофизике отдельных молекул [2] [3](например, измерения динамики белков и динамики ДНК и РНК , [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] активности ионных каналов , [11] [12] [13] активности ферментов , [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] » квантовые точки [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] ), что делает RDF важным инструментом в анализе данных в этих областях.

Поскольку RDF однозначно получаются из данных [33] [34], они имеют много преимуществ перед другими математическими и статистическими методами, которые были разработаны для решения траекторий с двумя состояниями. [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] »

Рисунок 1 3on3 RDF
Рисунок 2 Траектории с двумя состояниями

Описание RDF [ править ]

RDF представляет собой решетку подсостояний, каждое подсостояние представляет либо включенное, либо выключенное состояние и имеет определенный номер (см. Рисунок 1). Связи существуют только между подсостояниями разных состояний. Моделирование траектории включения-выключения из RDF выполняется с помощью обобщенного алгоритма Гиллеспи , где здесь случайное время перехода сначала берется из функций плотности, которые (обычно) не являются экспоненциальными, с использованием метода отклонения , а затем конкретное следующее подсостояние выбирается в соответствии с вероятностями перехода, которые определяются из функций плотности вероятности времени перехода. RDF может иметь необратимые связи, но при этом генерирует траекторию включения-выключения, обладающую свойством микроскопической обратимости., что означает, что физическая система колеблется около равновесия.

Траектории с двумя состояниями [ править ]

Траектория с двумя состояниями - это колеблющийся сигнал, состоящий из периодов включения и периода выключения; период включения, затем период выключения и так далее (см. рис. 2). В большинстве случаев, когда этот сигнал появляется в приложениях в науке, траектория случайна; то есть продолжительность периодов включения и выключения изменяется и является случайной величиной. В траектории могут быть корреляции; например, когда мы видим короткий период выключения, а следующий период включения относительно длинный (то есть длинный с большой вероятностью), мы говорим, что есть корреляции выключения и включения. В принципе, существует 4 независимых типа корреляций в траекториях с двумя состояниями: включено-включено, включено-выключено, выключено-включено и выключено-выключено. Траектории с двумя состояниями могут быть получены из двухпозиционных кинетических схем., RDF или любое другое стохастическое уравнение движения (с четким определением включения-выключения). В экспериментах с отдельными молекулами распространены траектории с двумя состояниями, и исходя из траектории мы стремимся найти правильную модель процесса. [48]

Использование RDF для решения траекторий с двумя состояниями [ править ]

Свойства RDF при решении траекторий с двумя состояниями [ править ]

Рис. 3. Траектория с двумя состояниями, RDF и кинетические схемы, а также отношения между ними.

Это было показано в [5]. 1 [1], что RDF уникальны в том смысле, что конкретный RDF генерирует конкретную временную траекторию (в статистическом смысле), а временная траектория связана только с одной RDF. Это свойство не выполняется для двухпозиционных кинетических схем, где из траектории можно построить несколько кинетических схем; см. например. [1] RDF также строятся более надежно на основе данных, чем кинетические схемы. [33]На рисунке 3 показаны RDF, кинетические схемы и траектории с двумя состояниями, а также отношения между ними. Учитывая траекторию с двумя состояниями (генерируемую любым механизмом), безопаснее перейти от данных и построить RDF, чем пытаться построить кинетическую схему напрямую из данных. С помощью построенного RDF можно очень точно найти несколько возможных кинетических схем (обычно в конце концов пытаются построить кинетическую схему из данных), где все эти кинетические схемы эквивалентны (в отношении данных).

Программное обеспечение RDF [ править ]

  • На основе RDF разработано программное обеспечение для вывода правильных механизмов из реальных данных (например, траекторий с двумя состояниями). [49] См. Рисунок 4 для иллюстрации целей программного обеспечения. Программа называется RDF .
Рисунок 4 Здесь показаны этапы работы программного обеспечения: сначала возьмите шумную траекторию и очистите ее; затем найдите RDF из очищенных данных. Наконец, предложите набор кинетических схем, которые могут быть связаны с найденным RDF. Программное обеспечение также должно предоставлять возможность численного моделирования зашумленных временных траекторий.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Flomenbom, O .; Силби, Р.Дж. (10 июля 2006 г.). «Использование информационного содержания в траекториях с двумя состояниями» . Труды Национальной академии наук . Труды Национальной академии наук США. 103 (29): 10907–10910. DOI : 10.1073 / pnas.0604546103 . ISSN  0027-8424 . PMC  1544147 . PMID  16832051 .
  2. ^ Moerner, WE (1999-03-12). «Освещение одиночных молекул в конденсированных средах». Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 283 (5408): 1670–1676. DOI : 10.1126 / science.283.5408.1670 . ISSN 0036-8075 . PMID 10073924 .  
  3. ^ Вайс, S. (1999-03-12). «Флуоресцентная спектроскопия одиночных биомолекул». Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 283 (5408): 1676–1683. DOI : 10.1126 / science.283.5408.1676 . ISSN 0036-8075 . PMID 10073925 .  
  4. ^ Шулер, Бенджамин; Lipman, Everett A .; Итон, Уильям А. (2002). «Исследование поверхности свободной энергии для сворачивания белков с помощью флуоресцентной спектроскопии одиночных молекул» . Природа . Springer Nature. 419 (6908): 743–747. DOI : 10,1038 / природа01060 . ISSN 0028-0836 . PMID 12384704 . S2CID 1356830 .   
  5. ^ Ян, Х. (2003-10-10). "Конформационная динамика белков, основанная на переносе электрона одной молекулы". Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 302 (5643): 262–266. DOI : 10.1126 / science.1086911 . ISSN 0036-8075 . PMID 14551431 . S2CID 18706150 .   
  6. ^ Мин, Вэй; Ло, Гобинь; Cherayil, Binny J .; Kou, SC; Се, X. Санни (18 мая 2005 г.). «Наблюдение ядра памяти степенного закона для флуктуаций внутри одной белковой молекулы». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 94 (19): 198302. DOI : 10,1103 / physrevlett.94.198302 . ISSN 0031-9007 . PMID 16090221 .  
  7. ^ Rhoades, E .; Гусаковский, Э .; Харан, Г. (28 февраля 2003 г.). «Watching белки сворачиваются одну молекулу , в то время» . Труды Национальной академии наук . 100 (6): 3197–3202. DOI : 10.1073 / pnas.2628068100 . ISSN 0027-8424 . PMC 152269 . PMID 12612345 .   
  8. Перейти ↑ Zhuang, X. (2002-05-24). «Корреляция структурной динамики и функции в одиночных молекулах рибозима». Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 296 (5572): 1473–1476. DOI : 10.1126 / science.1069013 . ISSN 0036-8075 . PMID 12029135 . S2CID 9459136 .   
  9. ^ Барсегов, В .; Тирумалай, Д. (2005-10-10). "Исследование белок-белковых взаимодействий методом динамической корреляционной спектроскопии". Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 95 (16): 168302. arXiv : cond-mat / 0509115 . DOI : 10.1103 / physrevlett.95.168302 . ISSN 0031-9007 . PMID 16241846 . S2CID 14446240 .   
  10. ^ Коломейский, Анатолий Б .; Фишер, Майкл Э. (2000-12-22). «Расширенные кинетические модели с распределением времени ожидания: точные результаты». Журнал химической физики . Издательство AIP. 113 (24): 10867–10877. arXiv : cond-mat / 0007455 . DOI : 10.1063 / 1.1326912 . ISSN 0021-9606 . S2CID 16409209 .  
  11. ^ НИГЕР, ЭРВИН; САКМАНН, БЕРТ (1976). «Одноканальные токи, записанные с мембраны денервированных мышечных волокон лягушки». Природа . ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 260 (5554): 799–802. DOI : 10.1038 / 260799a0 . ISSN 0028-0836 . PMID 1083489 . S2CID 4204985 .   
  12. ^ Касьянович, JJ; Брандин, Э .; Branton, D .; Димер, DW (1996-11-26). «Характеристика отдельных полинуклеотидных молекул с использованием мембранного канала» . Труды Национальной академии наук . Труды Национальной академии наук США. 93 (24): 13770–13773. DOI : 10.1073 / pnas.93.24.13770 . ISSN 0027-8424 . PMC 19421 . PMID 8943010 .   
  13. ^ Куллман, Лизен; Гурнев, Филипп А .; Винтерхальтер, Матиас; Безруков, Сергей М. (23.01.2006). «Функциональные субконформации в сворачивании белков: данные одноканальных экспериментов». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 96 (3): 038101-038104. DOI : 10.1103 / physrevlett.96.038101 . ISSN 0031-9007 . PMID 16486775 .  
  14. ^ Лу, HP; Xun, L .; Се, XS (1998-12-04). "Одномолекулярная ферментативная динамика". Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 282 (5395): 1877–1882. DOI : 10.1126 / science.282.5395.1877 . PMID 9836635 . 
  15. ^ Эдман, Ларс; Фёльдес-Папп, Зенон; Веннмальм, Стефан; Риглер, Рудольф (1999). «Колеблющийся фермент: подход одной молекулы». Химическая физика . Elsevier BV. 247 (1): 11–22. DOI : 10.1016 / s0301-0104 (99) 00098-1 . ISSN 0301-0104 . 
  16. ^ Велония, Келли; Фломенбом, Офир; Лоос, Дэйви; Масуо, Садахиро; Котле, Мирча; Энгельборгс, Ив; Хофкенс, Йохан; Роуэн, Алан Э .; Клафтер, Джозеф; Нолти, Руланд Дж. М .; де Шрайвер, Франс К. (14 января 2005 г.). "Одноферментная кинетика гидролиза, катализируемого CALB". Angewandte Chemie International Edition . Вайли. 44 (4): 560–564. DOI : 10.1002 / anie.200460625 . ISSN 1433-7851 . PMID 15619259 .  
  17. ^ Flomenbom, O .; Велония, К .; Loos, D .; Masuo, S .; Котлет, М .; и другие. (2005-02-04). «Растянутый экспоненциальный спад и корреляции в каталитической активности флуктуирующих одиночных молекул липазы» . Труды Национальной академии наук . 102 (7): 2368–2372. DOI : 10.1073 / pnas.0409039102 . ISSN 0027-8424 . PMC 548972 . PMID 15695587 .   
  18. ^ Инглиш, Брайан П; Мин, Вэй; ван Ойен, Антуан М; Ли, Кан Тхэк; Ло, Гобинь; и другие. (2005-12-25). «Постоянно колеблющиеся отдельные молекулы фермента: пересмотр уравнения Михаэлиса-Ментен». Природа Химическая биология . ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 2 (2): 87–94. DOI : 10,1038 / nchembio759 . ISSN 1552-4450 . PMID 16415859 . S2CID 2201882 .   
  19. ^ Агмон, Ноам (2000). «Конформационный цикл одного рабочего фермента». Журнал физической химии B . Американское химическое общество (ACS). 104 (32): 7830–7834. DOI : 10.1021 / jp0012911 . ISSN 1520-6106 . 
  20. ^ Цянь, Хун; Л. Элсон, Эллиот (2002). «Одномолекулярная энзимология: стохастическая кинетика Михаэлиса – Ментен». Биофизическая химия . Elsevier BV. 101–102: 565–576. DOI : 10.1016 / s0301-4622 (02) 00145-X . ISSN 0301-4622 . PMID 12488027 .  
  21. ^ Kou, SC; Cherayil, Binny J .; Мин, Вэй; Английский, Брайан П .; Се, X. Санни (2005). "Одномолекулярные уравнения Михаэлиса-Ментен". Журнал физической химии B . Американское химическое общество (ACS). 109 (41): 19068–19081. DOI : 10.1021 / jp051490q . ISSN 1520-6106 . PMID 16853459 .  
  22. ^ Сун, Джэён; Силби, Роберт Дж. (2005). «Подсчет статистики событий реакции одиночной молекулы и динамики реакции одиночной молекулы». Письма по химической физике . Elsevier BV. 415 (1–3): 10–14. DOI : 10.1016 / j.cplett.2005.08.057 . ISSN 0009-2614 . 
  23. ^ Шаевиц, Джошуа В .; Блок, Стивен М .; Шнитцер, Марк Дж. (2005). «Статистическая кинетика высокомолекулярной динамики» . Биофизический журнал . Elsevier BV. 89 (4): 2277–2285. DOI : 10.1529 / biophysj.105.064295 . ISSN 0006-3495 . PMC 1366729 . PMID 16040752 .   
  24. ^ Goychuk, Игорь; Хенгги, Питер (2004-11-24). «Фракционное диффузионное моделирование стробирования ионных каналов». Physical Review E . 70 (5): 051915. arXiv : Physics / 0407105 . DOI : 10.1103 / physreve.70.051915 . ISSN 1539-3755 . PMID 15600664 . S2CID 6025860 .   
  25. ^ Не, S; Chiu, D .; Заре, Р. (1994-11-11). «Зондирование отдельных молекул с помощью конфокальной флуоресцентной микроскопии». Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 266 (5187): 1018–1021. DOI : 10.1126 / science.7973650 . ISSN 0036-8075 . PMID 7973650 .  
  26. ^ Шустерман, Роман; Алон, Сергей; Гавринев, Татьяна; Кричевский, Олег (29.01.2004). «Динамика мономеров в двух- и одноцепочечных полимерах ДНК». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 92 (4): 048303. DOI : 10,1103 / physrevlett.92.048303 . ISSN 0031-9007 . PMID 14995414 .  
  27. ^ Зумофен, Герт; Хольбейн, Йоханнес; Хюбнер, Кристиан Г. (2004-12-20). «Повторяемость и статистика фотонов в флуоресцентной флуктуационной спектроскопии». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 93 (26): 260601. DOI : 10,1103 / physrevlett.93.260601 . ISSN 0031-9007 . PMID 15697961 .  
  28. ^ Коэн, AE; Мёрнер, WE (14 марта 2006 г.). «Подавление броуновского движения отдельных биомолекул в растворе» . Труды Национальной академии наук . 103 (12): 4362–4365. DOI : 10.1073 / pnas.0509976103 . ISSN 0027-8424 . PMC 1450176 . PMID 16537418 .   
  29. ^ Диксон, Роберт М .; Cubitt, Эндрю Б .; Tsien, Roger Y .; Моернер, WE (1997). «Включение / выключение мерцания и переключения отдельных молекул зеленого флуоресцентного белка» . Природа . Springer Nature. 388 (6640): 355–358. DOI : 10,1038 / 41048 . ISSN 0028-0836 . PMID 9237752 .  
  30. ^ Чунг, Инхи; Бавенди, Мунги Г. (2004-10-11). «Взаимосвязь между перемежаемостью одиночных квантовых точек и затуханиями интенсивности флуоресценции из совокупности точек». Physical Review B . Американское физическое общество (APS). 70 (16): 165304. DOI : 10,1103 / physrevb.70.165304 . ISSN 1098-0121 . 
  31. ^ Barkai, Эли; Юнг, YounJoon; Силби, Роберт (2004). "ТЕОРИЯ ОДНОМОЛЕКУЛЬНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ: За пределами среднего по ансамблю". Ежегодный обзор физической химии . Ежегодные обзоры. 55 (1): 457–507. DOI : 10.1146 / annurev.physchem.55.111803.143246 . ISSN 0066-426X . PMID 15117260 .  
  32. ^ Тан, Джау; Маркус, РА (22 ноября 2005 г.). «Сравнение одной частицы и среднего по ансамблю: от степенной перемежаемости одиночной квантовой точки до экспоненциального затухания флуоресценции ансамбля с квазиратянутым экспоненциальным растяжением». Журнал химической физики . Издательство AIP. 123 (20): 204511. DOI : 10,1063 / 1,2128409 . ISSN 0021-9606 . PMID 16351285 .  
  33. ^ a b Flomenbom, O .; Силби, Р.Дж. (15 декабря 2008 г.). «Набор инструментов для анализа конечных траекторий с двумя состояниями». Physical Review E . Американское физическое общество (APS). 78 (6): 066105. DOI : 10,1103 / physreve.78.066105 . ЛВП : 1721,1 / 51348 . ISSN 1539-3755 . PMID 19256903 . S2CID 16196911 .   
  34. ^ O Flomenbom, Adv. Chem. Phys., В печати (2011).
  35. ^ Рог, R .; Ланге, К. (1983). «Оценка кинетических констант по одноканальным данным» . Биофизический журнал . Elsevier BV. 43 (2): 207–223. DOI : 10.1016 / s0006-3495 (83) 84341-0 . ISSN 0006-3495 . PMC 1329250 . PMID 6311301 .   
  36. ^ Цинь, Фэн; Ауэрбах, Энтони; Сакс, Фредерик (2000). "Подход прямой оптимизации к скрытому марковскому моделированию для одноканальной кинетики" . Биофизический журнал . Elsevier BV. 79 (4): 1915–1927. DOI : 10.1016 / s0006-3495 (00) 76441-1 . ISSN 0006-3495 . PMC 1301083 . PMID 11023897 .   
  37. ^ Бруно, WJ; Yang, J .; Пирсон, Дж. Э. (20 апреля 2005 г.). «Использование независимых переходов от открытого к закрытому для упрощения агрегированных марковских моделей кинетики стробирования ионных каналов» . Труды Национальной академии наук . 102 (18): 6326–6331. DOI : 10.1073 / pnas.0409110102 . ISSN 0027-8424 . PMC 1088360 . PMID 15843461 .   
  38. ^ Бауэр, RJ; Bowman, BF; Кеньон, JL (1987). «Теория кинетического анализа данных патч-кламп» . Биофизический журнал . 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). «Эквивалентность агрегированных марковских моделей стробирования ионных каналов». Труды Королевского общества B: биологические науки . Королевское общество. 236 (1284): 269–309. DOI : 10,1098 / rspb.1989.0024 . ISSN 0962-8452 . PMID 2471201 . S2CID 29761646 .   
  40. ^ Фредкин, Дональд Р .; Райс, Джон А. (1986). «Об агрегированных марковских процессах». Журнал прикладной теории вероятностей . Издательство Кембриджского университета (CUP). 23 (1): 208–214. DOI : 10.2307 / 3214130 . ISSN 0021-9002 . JSTOR 3214130 .  
  41. ^ Colquhoun, D .; Хоукс, AG (1982-12-24). «О стохастических свойствах всплесков открытия одноионных каналов и кластеров всплесков» . Философские труды Королевского общества B: биологические науки . Королевское общество. 300 (1098): 1–59. DOI : 10.1098 / rstb.1982.0156 . ISSN 0962-8436 . PMID 6131450 .  
  42. ^ Песня, L .; Маглеби, К.Л. (1994). «Тестирование микроскопической обратимости в стробировании макси-каналов K + с использованием двумерных распределений времени пребывания» . Биофизический журнал . Elsevier BV. 67 (1): 91–104. DOI : 10.1016 / s0006-3495 (94) 80458-8 . ISSN 0006-3495 . PMC 1225338 . PMID 7919030 .   
  43. ^ Као, Jianshu (2000). «Усредненные по событиям измерения кинетики одиночных молекул». Письма по химической физике . Elsevier BV. 327 (1-2): 38–44. DOI : 10.1016 / s0009-2614 (00) 00809-5 . ISSN 0009-2614 . 
  44. ^ Влад, Миссури; Moran, F .; Schneider, FW; Росс, Дж. (12 сентября 2002 г.). «Эффекты памяти и колебания в кинетике одиночных молекул» . Труды Национальной академии наук США . Труды Национальной академии наук. 99 (20): 12548–12555. DOI : 10.1073 / pnas.192439099 . ISSN 0027-8424 . PMC 130497 . PMID 12228729 .   
  45. ^ Ян, Шилонг; Цао, Цзяньшу (2002-12-22). «Прямые измерения эффектов памяти в кинетике одиночных молекул». Журнал химической физики . Издательство AIP. 117 (24): 10996–11009. DOI : 10.1063 / 1.1521155 . ISSN 0021-9606 . 
  46. ^ SANDA, Ф., & Mukamel, С. (2006)J. Chem. Phys. 108, 124103-1-15.
  47. ^ Allegrini, Паоло; Акино, Херардо; Григолини, Паоло; Палателла, Луиджи; Роза, Анджело (25 ноября 2003 г.). «Обобщенная управляющее уравнение с помощью стареющих непрерывного времени случайных прогулок» . Physical Review E . Американское физическое общество (APS). 68 (5): 056123. arXiv : cond-mat / 0304506 . DOI : 10.1103 / physreve.68.056123 . ISSN 1063-651X . PMID 14682862 .  
  48. ^ Фломенбом, Офир; Клафтер, Джозеф; Сабо, Аттила (2005). "Что можно узнать из траекторий одной молекулы с двумя состояниями?" . Биофизический журнал . Elsevier BV. 88 (6): 3780–3783. DOI : 10.1529 / biophysj.104.055905 . ISSN 0006-3495 . PMC 1305612 . PMID 15764653 .   
  49. ^ См. Http://www.flomenbom.net/codes.html