Formation and Cooperative Behaviour of Protein Complexes on the Cell Membrane

با هدف ارائه بینشی عمیق تر به مکانیسم های ممکن خودسازماندهی بیولوژیکی، این پایان نامه رویکردهای جدیدی را برای توصیف فرآیند خودآرایی و تأثیر سازماندهی فضایی بر عملکرد پروتئین های غشایی ارائه می کند. دیدگاه فیزیک آماری بر روی سه سناریو مهم تمرکز دارد: مونتاژ پروتئین‌های غشایی، پاسخ جمعی کانال‌های حساس به مکانیسم و ​​عملکرد سیستم انتقال آرژنین دوقلو (Tat). با استفاده از روش‌های مکانیک آماری تعادلی و غیرتعادلی، نتایج کلی به دست آمد که اهمیت برهم‌کنش‌های پروتئین-پروتئین را نشان می‌دهد. به عنوان مثال، در بخش اول یک مدل دینامیک تجمع کلی فرموله شده است، و برای نشان دادن اینکه تکه تکه شدن به طور اساسی بر کارایی فرآیند خودآرایی پروتئین ها تأثیر می گذارد، استفاده می شود. در بخش دوم، با نگاشت نیروهای واسطه غشاء در یک سیستم چند بدنه ساده شده، رفتار پویا و تعادل کانال‌های حساس مکانیکی در حال تعامل استخراج می‌شود، که نشان می‌دهد تجمع پروتئین به شدت بر عملکرد مورد نظر آن تأثیر می‌گذارد. بخش پایانی مدلی را توسعه می‌دهد که هم عملکرد تراکم و هم عملکرد حمل و نقل سیستم Tat را در بر می‌گیرد و در نتیجه توصیفی جامع از این فرآیند خودسازماندهی ارائه می‌دهد.

With the aim of providing a deeper insight into possible mechanisms of biological self-organization, this thesis presents new approaches to describe the process of self-assembly and the impact of spatial organization on the function of membrane proteins, from a statistical physics point of view. It focuses on three important scenarios: the assembly of membrane proteins, the collective response of mechanosensitive channels and the function of the twin arginine translocation (Tat) system. Using methods from equilibrium and non-equilibrium statistical mechanics, general conclusions were drawn that demonstrate the importance of the protein-protein interactions. Namely, in the first part a general aggregation dynamics model is formulated, and used to show that fragmentation crucially affects the efficiency of the self-assembly process of proteins. In the second part, by mapping the membrane-mediated forces into a simplified many-body system, the dynamic and equilibrium behaviour of interacting mechanosensitive channels is derived, showing that protein agglomeration strongly impacts its desired function. The final part develops a model that incorporates both the agglomeration and transport function of the Tat system, thereby providing a comprehensive description of this self-organizing process.