Multiscale simulation of microbe structure and dynamics.
Multiscale simulation of microbe structure and dynamics.
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DOI：
10.1016/j.pbiomolbio.2011.07.006
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发表时间：
2011-10
影响因子：
3.8
通讯作者：
Ortoleva PJ
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Joshi H;Singharoy A;Sereda YV;Cheluvaraja SC;Ortoleva PJ
开发了一种多尺度数学和计算方法，该方法捕获了微生物的层次组织。据发现，理解微生物的一个自然的角度是在不同层次的分辨率的变量的层次。该层次结构从N原子描述开始，以表征整个微生物的序参数结束。这个概念框架是用来指导的刘维尔方程的概率密度的位置和动量的N原子构成的微生物和它的环境的分析。利用多尺度数学方法，我们导出了N原子态的序参量和几率密度的共同演化方程。这种方法产生了一种严格的方式来传递不同时空尺度上的变量之间的信息。它阐明了平衡和远离平衡过程之间的相互作用，微生物的行为。它还提供了使用粗粒度纳米表征数据来指导微生物模拟的框架。它使自由能最小化的结构，其中许多通常是由一组大分子和膜构成一个给定的微生物的有条不紊的搜索。这套功能提供了一个自然的框架，以达到对微生物行为的基本理解，纳米表征数据的分析，以及用于生物技术和医学目的的纳米结构的计算机辅助设计。使用我们的多尺度生物纳米系统模拟器DeductiveMultiscaleSimulator的方法的选定功能。用于证明该方法的系统是豇豆褪绿花叶病毒，卫星烟草花叶病毒的RNA，与人乳头瘤病毒相关的病毒样颗粒和铁结合蛋白乳铁蛋白的结构转变。
A multiscale mathematical and computational approach is developed that captures the hierarchical organization of a microbe. It is found that a natural perspective for understanding a microbe is in terms of a hierarchy of variables at various levels of resolution. This hierarchy starts with the N -atom description and terminates with order parameters characterizing a whole microbe. This conceptual framework is used to guide the analysis of the Liouville equation for the probability density of the positions and momenta of the N atoms constituting the microbe and its environment. Using multiscale mathematical techniques, we derive equations for the co-evolution of the order parameters and the probability density of the N-atom state. This approach yields a rigorous way to transfer information between variables on different space-time scales. It elucidates the interplay between equilibrium and far-from-equilibrium processes underlying microbial behavior. It also provides framework for using coarse-grained nanocharacterization data to guide microbial simulation. It enables a methodical search for free-energy minimizing structures, many of which are typically supported by the set of macromolecules and membranes constituting a given microbe. This suite of capabilities provides a natural framework for arriving at a fundamental understanding of microbial behavior, the analysis of nanocharacterization data, and the computer-aided design of nanostructures for biotechnical and medical purposes. Selected features of the methodology are demonstrated using our multiscale bionanosystem simulator DeductiveMultiscaleSimulator. Systems used to demonstrate the approach are structural transitions in the cowpea chlorotic mosaic virus, RNA of satellite tobacco mosaic virus, virus-like particles related to human papillomavirus, and iron-binding protein lactoferrin.
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DOI：
10.1073/pnas.0902633106
发表时间：
2009-07-07
影响因子：
11.1
作者：
Darve, Eric;Solomon, Jose;Kia, Amirali
通讯作者：
Kia, Amirali
影响因子：
1.7
作者：
Chu, J. -W.;Ayton, G. S.;Voth, G. A.
通讯作者：
Voth, G. A.
影响因子：
4.4
作者：
Chang, R;Ayton, GS;Voth, GA
通讯作者：
Voth, GA
影响因子：
3.4
作者：
DEUTCH, JM;OPPENHEIM, I
通讯作者：
OPPENHEIM, I
影响因子：
3.4
作者：
Day, J;Kuznetsov, YG;McPherson, A
通讯作者：
McPherson, A