由国家自然科学研究所 无花果
一个
(一)单分子运动的轨迹和相应的依赖于化学状态的自由能曲线
(二)隐马尔可夫模型示意图，其中化学状态被视为“隐藏”状态
信用:NINS/国际监测系统 开发了一种新的数学建模方法，利用贝叶斯推理框架从运动的单分子成像数据估计生物分子马达的操作模型
用该方法对实验成像数据进行数学建模，阐明了线性分子马达“几丁质酶”在几丁质链上单向运动并降解所经过的链的运行机理
细胞中的生物分子马达产生单向运动，消耗由例如三磷酸腺苷水解获得的化学能
这种分子马达是由蛋白质组成的天然纳米机器，其工作原理的解释引起了人们的极大关注
单分子成像可以直接捕捉分子马达的运动，是了解分子马达工作原理的一种很有前途的技术
然而，目前还不清楚如何消耗化学能，我
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这种运动蛋白化学状态的改变导致整个运动的单向运动
分子科学研究所和静冈大学的研究人员发现，由分子马达的化学状态变化引发的运动中，自由能曲线形状的变化
研究人员首先试图建立一个计算模型来描述分子马达的运动
马达的运动可以被认为是自由能曲线上的扩散运动，自由能曲线根据组成马达的分子的化学状态进行转换
更具体地说，如图1所示
1A，马达首先在马达分子的化学态1(红色)的自由能面上运动，然后在化学态2(蓝色)的自由能面上运动
然而，这种化学状态转换通常在单分子成像中观察不到
研究人员使用隐马尔可夫模型处理化学状态之间的转换，其中化学状态被视为“隐藏”状态(图
1B)
使用这个隐马尔可夫模型，有可能计算“可能性”，它评估概率以显示模型如何很好地解释实际单分子运动的轨迹
也可以将自由能分布的知识作为先验概率
研究人员开发了一种方法，通过蒙特卡罗抽样，用后验概率表示为可能性和先验概率的乘积，来估计化学状态相关的自由能分布、每个分布上的扩散系数以及这些状态之间转换的速率常数
无花果
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(一)几丁质酶单分子成像观察到的单向运动
(二)根据成像数据估算的化学状态相关自由能剖面
信用:NINS/国际监测系统 然后，将本研究中开发的方法用于分析由单分子成像观察到的线性分子马达几丁质酶的运动
通过对几丁质酶单向运动轨迹数据的分析，揭示了支配运动的特征自由能曲线(图
2)
分析结果表明，几丁质酶通过布朗运动在相对较低的自由能垒上进入几丁质链轨道
然后，通过甲壳质链的水解反应和反应产物的解离来切换化学状态，从而实现单向运动
目前的研究为研究者之前报道的“烧桥”布朗棘轮机制提供了物理基础
“我们将把我们在这项研究中开发的方法应用于各种分子马达，并希望阐明分子马达机制的异同
我们相信，我们的方法将在未来获得新的发现，并为我们提供分子马达一般工作原理的线索
使用我们方法的研究将为设计新的人工分子马达铺平道路
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