Форма уменьшенных размеров - Reduced dimensions form - Wikipedia

В биофизика и связанные области, формы уменьшенных размеров (RDF) уникальные двухпозиционные механизмы для случайные прогулки которые генерируют траектории с двумя состояниями (см. рис. 1 для примера RDF и рис. 2 для примера траектории с двумя состояниями). Было показано, что RDF решают траектории с двумя состояниями, поскольку только один RDF может быть построен из данных,[1] где это свойство не выполняется для кинетических схем включения-выключения, где многие кинетические схемы могут быть построены из конкретной траектории с двумя состояниями (даже из идеальной траектории включения-выключения). Временные траектории с двумя состояниями очень распространены в измерениях в химии, физике и биофизике. отдельные молекулы [2][3] (например, измерения динамики белка и Динамика ДНК и РНК,[4][5][6][7][8][9][10] деятельность ионные каналы,[11][12][13] ферментная активность,[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 анализа данных в этих полях.

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 RDF 3 на 3
фигура 2 Траектории с двумя состояниями

Описание RDF

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 Алгоритм Гиллеспи, где здесь случайное время перехода сначала берется из функций плотности, которые (обычно) не являются экспоненциальными, используя метод отклонения, а затем выбирается конкретное следующее подсостояние в соответствии с вероятностями перехода, которые определяются из функций плотности вероятности времени перехода. RDF может иметь необратимые связи, но он генерирует траекторию включения-выключения, которая имеет свойство микроскопическая обратимость, что означает, что физическая система колеблется около равновесия.

Траектории с двумя состояниями

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 длительность 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 включения-выключения кинетические схемы, RDF или любое другое стохастическое уравнение движения (с четким определением включения-выключения). В экспериментах от отдельные молекулы, траектории с двумя состояниями являются общими, где мы стремимся найти правильную модель процесса.[48]

Использование RDF для решения траекторий с двумя состояниями

Свойства RDF при решении траекторий с двумя состояниями

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

Это было показано в [5]. 1[1] Уникальность RDF заключается в том, 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 взаимосвязь между ними. Учитывая траекторию с двумя состояниями (генерируемую любым механизмом), безопаснее исходить из данных и строить 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

  • 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. Программное обеспечение называется RDF.
Рисунок 4 Здесь показаны этапы работы программы: 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.

Рекомендации

  1. ^ а б 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. Дои:10.1073 / pnas.0604546103. ISSN  0027-8424. ЧВК  1544147. PMID  16832051.
  2. ^ Моернер, В. Э. (1999-03-12). «Освещение одиночных молекул в конденсированных средах». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 283 (5408): 1670–1676. Дои:10.1126 / science.283.5408.1670. ISSN  0036-8075. PMID  10073924.
  3. ^ Вайс, С. (1999-03-12). «Флуоресцентная спектроскопия одиночных биомолекул». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 283 (5408): 1676–1683. Дои: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. Дои: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. Дои:10.1126 / science.1086911. ISSN  0036-8075. PMID  14551431. S2CID  18706150.
  6. ^ Мин, Вэй; Ло, Гобинь; Cherayil, Binny J .; Kou, S.C .; Се, X. Санни (18 мая 2005 г.). «Наблюдение ядра памяти степенного закона для флуктуаций внутри одной белковой молекулы». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 94 (19): 198302. Дои:10.1103 / Physrevlett.94.198302. ISSN  0031-9007. PMID  16090221.
  7. ^ Rhoades, E .; Гусаковский, Э .; Харан, Г. (28 февраля 2003 г.). «Наблюдая, как белки сворачивают одну молекулу за раз». Труды Национальной академии наук. 100 (6): 3197–3202. Дои:10.1073 / pnas.2628068100. ISSN  0027-8424. ЧВК  152269. PMID  12612345.
  8. ^ Чжуан, X. (24 мая 2002 г.). «Корреляция структурной динамики и функции в одиночных молекулах рибозима». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 296 (5572): 1473–1476. Дои:10.1126 / science.1069013. ISSN  0036-8075. PMID  12029135. S2CID  9459136.
  9. ^ Барсегов, В .; Тирумалай, Д. (2005-10-10). «Исследование белок-белковых взаимодействий с помощью динамической корреляционной спектроскопии сил». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 95 (16): 168302. arXiv:cond-mat / 0509115. Дои: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 распределениями времени ожидания: точные результаты». Журнал химической физики. Издательство AIP. 113 (24): 10867–10877. arXiv:cond-mat / 0007455. Дои:10.1063/1.1326912. ISSN  0021-9606. S2CID  16409209.
  11. ^ НЕГЕР, ЭРВИН; САКМАНН, БЕРТ (1976). «Одноканальные токи, записанные с мембраны денервированных мышечных волокон лягушки». Природа. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 260 (5554): 799–802. Дои:10.1038 / 260799a0. ISSN  0028-0836. PMID  1083489. S2CID  4204985.
  12. ^ Kasianowicz, J. J .; Брандин, Э .; Branton, D .; Димер, Д. У. (1996-11-26). «Характеристика отдельных полинуклеотидных молекул с использованием мембранного канала». Труды Национальной академии наук. Труды Национальной академии наук США. 93 (24): 13770–13773. Дои:10.1073 / пнас.93.24.13770. ISSN  0027-8424. ЧВК  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 физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 96 (3): 038101-038104. Дои:10.1103 / Physrevlett.96.038101. ISSN  0031-9007. PMID  16486775.
  14. ^ Lu, H.P .; Xun, L .; Се, X. S. (1998-12-04). "Одномолекулярная ферментативная динамика". Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 282 (5395): 1877–1882. Дои: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. Дои: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; Nolte, Roeland J.M .; де Шрайвер, Франс К. (14 января 2005 г.). "Одноферментная кинетика гидролиза, катализируемого CALB". Angewandte Chemie International Edition. Вайли. 44 (4): 560–564. Дои: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 колеблющихся одиночных молекул липазы». Труды Национальной академии наук. 102 (7): 2368–2372. Дои:10.1073 / pnas.0409039102. ISSN  0027-8424. ЧВК  548972. PMID  15695587.
  18. ^ Английский, Брайан П.; Мин, Вэй; ван Ойен, Антуан М; Ли, Кан Тхэк; Ло, Гобинь; и другие. (2005-12-25). «Постоянно колеблющиеся отдельные молекулы фермента: пересмотренное уравнение Михаэлиса-Ментен». Природа Химическая Биология. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 2 (2): 87–94. Дои: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. Дои: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. Дои:10.1016 / s0301-4622 (02) 00145-х. ISSN  0301-4622. PMID  12488027.
  21. ^ Kou, S.C .; 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. Дои:10.1021 / jp051490q. ISSN  1520-6106. PMID  16853459.
  22. ^ Сун, Джэён; Силби, Роберт Дж. (2005). «Подсчет статистики событий реакции одной молекулы и динамики реакции отдельной молекулы». Письма по химической физике. Elsevier BV. 415 (1–3): 10–14. Дои:10.1016 / j.cplett.2005.08.057. ISSN  0009-2614.
  23. ^ Шаевиц, Джошуа В .; Блок, Стивен М .; Шнитцер, Марк Дж. (2005). «Статистическая кинетика макромолекулярной динамики». Биофизический журнал. Elsevier BV. 89 (4): 2277–2285. Дои:10.1529 / biophysj.105.064295. ISSN  0006-3495. ЧВК  1366729. PMID  16040752.
  24. ^ Гейчук Игорь; Хэнги, Питер (24 ноября 2004 г.). «Фракционное диффузионное моделирование стробирования ионных каналов». Физический обзор E. 70 (5): 051915. arXiv:физика / 0407105. Дои:10.1103 / Physreve.70.051915. ISSN  1539-3755. PMID  15600664. S2CID  6025860.
  25. ^ Nie, S; Chiu, D .; Заре, Р. (1994-11-11). «Исследование отдельных молекул с помощью конфокальной флуоресцентной микроскопии». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 266 (5187): 1018–1021. Дои: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 физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 92 (4): 048303. Дои: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 физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 93 (26): 260601. Дои:10.1103 / Physrevlett.93.260601. ISSN  0031-9007. PMID  15697961.
  28. ^ Cohen, A.E .; Моернер, В. Э. (14 марта 2006 г.). «Подавление броуновского движения отдельных биомолекул в растворе». Труды Национальной академии наук. 103 (12): 4362–4365. Дои:10.1073 / pnas.0509976103. ISSN  0027-8424. ЧВК  1450176. PMID  16537418.
  29. ^ Диксон, Роберт М .; Cubitt, Эндрю Б .; Tsien, Roger Y .; Моернер, В. Э. (1997). «Включение / выключение мерцания и переключения отдельных молекул зеленого флуоресцентного белка». Природа. Springer Nature. 388 (6640): 355–358. Дои:10.1038/41048. ISSN  0028-0836. PMID  9237752.
  30. ^ Чунг, Инхи; Бавенди, Мунги Г. (2004-10-11). «Связь между перемежаемостью одиночных квантовых точек и затуханиями интенсивности флуоресценции из совокупности точек». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 70 (16): 165304. Дои:10.1103 / Physrevb.70.165304. ISSN  1098-0121.
  31. ^ Баркай, Эли; Юнг, YounJoon; Силби, Роберт (2004). "ТЕОРИЯ ОДНОМОЛЕКУЛЬНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ: За пределами среднего по ансамблю". Ежегодный обзор физической химии. Ежегодные обзоры. 55 (1): 457–507. Дои:10.1146 / annurev.physchem.55.111803.143246. ISSN  0066-426X. PMID  15117260.
  32. ^ Тан, Джау; Маркус, Р. А. (22 ноября 2005 г.). «Сравнение отдельных частиц и среднего по ансамблю: от степенной перемежаемости одиночной квантовой точки до экспоненциального затухания флуоресценции ансамбля в квазирастянутом состоянии». Журнал химической физики. Издательство AIP. 123 (20): 204511. Дои:10.1063/1.2128409. ISSN  0021-9606. PMID  16351285.
  33. ^ а б Flomenbom, O .; Силби, Р. Дж. (15 декабря 2008 г.). «Набор инструментов для анализа конечных траекторий с двумя состояниями». Физический обзор E. Американское физическое общество (APS). 78 (6): 066105. Дои:10.1103 / Physreve.78.066105. HDL:1721.1/51348. ISSN  1539-3755. PMID  19256903. S2CID  16196911.
  34. ^ О Фломенбом, Adv. Chem. Phys., В печати (2011).
  35. ^ Horn, R .; Ланге, К. (1983). «Оценка кинетических констант по одноканальным данным». Биофизический журнал. Elsevier BV. 43 (2): 207–223. Дои:10.1016 / с0006-3495 (83) 84341-0. ISSN  0006-3495. ЧВК  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. Дои:10.1016 / с0006-3495 (00) 76441-1. ISSN  0006-3495. ЧВК  1301083. PMID  11023897.
  37. ^ Bruno, W. J .; Yang, J .; Пирсон, Дж. Э. (20 апреля 2005 г.). «Использование независимых переходов из открытого состояния в закрытое для упрощения агрегированных марковских моделей кинетики стробирования ионных каналов». Труды Национальной академии наук. 102 (18): 6326–6331. Дои:10.1073 / pnas.0409110102. ISSN  0027-8424. ЧВК  1088360. PMID  15843461.
  38. ^ Bauer, R.J .; Bowman, B.F .; Кеньон, Дж. Л. (1987). «Теория кинетического анализа данных патч-кламп». Биофизический журнал. Elsevier BV. 52 (6): 961–978. Дои:10.1016 / с0006-3495 (87) 83289-7. ISSN  0006-3495. ЧВК  1330095. PMID  2447973.
  39. ^ Кинкер, П. (1989-04-22). «Эквивалентность агрегированных марковских моделей стробирования ионных каналов». Труды Королевского общества B: биологические науки. Королевское общество. 236 (1284): 269–309. Дои: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. Дои:10.2307/3214130. ISSN  0021-9002. JSTOR  3214130.
  41. ^ Colquhoun, D .; Хоукс, А. Г. (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. Дои:10.1098 / rstb.1982.0156. ISSN  0962-8436. PMID  6131450.
  42. ^ Песня, Л .; Маглеби, К. (1994). «Тестирование на микроскопическую обратимость стробирования макси-каналов K + с использованием двумерных распределений времени пребывания». Биофизический журнал. Elsevier BV. 67 (1): 91–104. Дои:10.1016 / с0006-3495 (94) 80458-8. ISSN  0006-3495. ЧВК  1225338. PMID  7919030.
  43. ^ Цао, Цзяньшу (2000). «Усредненные по событиям измерения кинетики одиночных молекул». Письма по химической физике. Elsevier BV. 327 (1–2): 38–44. Дои:10.1016 / с0009-2614 (00) 00809-5. ISSN  0009-2614.
  44. ^ Влад, М. О .; Moran, F .; Schneider, F. W .; 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. Дои:10.1073 / пнас.192439099. ISSN  0027-8424. ЧВК  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. Дои:10.1063/1.1521155. ISSN  0021-9606.
  46. ^ Шанда, Ф., и Мукамель, С. (2006) J. Chem. Phys. 108, 124103-1-15.
  47. ^ Аллегрини, Паоло; Акино, Херардо; Григолини, Паоло; Палателла, Луиджи; Роза, Анджело (25 ноября 2003 г.). «Обобщенное главное уравнение через устаревшие случайные блуждания в непрерывном времени». Физический обзор E. Американское физическое общество (APS). 68 (5): 056123. Дои: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. Дои:10.1529 / biophysj.104.055905. ISSN  0006-3495. ЧВК  1305612. PMID  15764653.
  49. ^ Посмотри пожалуйста, http://www.flomenbom.net/codes.html