Spatial landscape and flux for exploring protein pattern formation in rod-shaped bacteria

非平衡态热力学 空间生态学 图案形成 共同空间格局 生物系统 时空格局 统计物理学 焊剂(冶金) 物理 能源景观 透视图(图形) 模式(计算机接口) 生态学 熵产生 熵(时间箭头) 生物 空间分析 空间变异性 空间组织 相变 相(物质) 大肠杆菌蛋白质类
作者
Dennis Y. Wu,Jie Su,Jin Wang
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:163 (13)
标识
DOI:10.1063/5.0284776
摘要

Spatial patterns formed by biomacromolecules such as proteins are widely present in biological systems and are closely related to fundamental cellular processes. A classic example is the spatial patterning of Min proteins in bacteria, where pole-to-pole oscillations of these patterns guide symmetric cell division. To uncover the underlying mechanisms behind the formation and transition of spatial patterns in the Min protein system, we applied nonequilibrium landscape-flux theory combined with the mode expansion method. By quantifying and visualizing the potential landscape in mode space, we identified distinct stable spatial patterns as potential wells, providing a global perspective on the system's stability. Moreover, we revealed that nonequilibrium flux acts as the driving force for spatial pattern switching with increasing cell length or molecular detachment rates. Peaks in the average flux and entropy production rate near phase boundaries highlight significant changes in dynamical nature and thermodynamic cost during critical transitions, offering deeper insights into the physical mechanisms underlying spatial pattern transitions. These findings not only underscore how spatial landscape topography and flux dynamics collectively govern the formation, stability, and switching of protein patterns but also establish a powerful framework for linking nonequilibrium physical mechanisms to biological functions. Furthermore, this framework holds potential applications, such as the detection of early warning signals for cell division.

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