Towards a full quantitative description of single-molecule reaction kinetics in biological cells

文献情報

出版日 2018-05-21
DOI 10.1039/C8CP02043D
インパクトファクター 3.676
著者

Denis S. Grebenkov, Ralf Metzler, Gleb Oshanin


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要旨

The first-passage time (FPT), i.e., the moment when a stochastic process reaches a given threshold value for the first time, is a fundamental mathematical concept with immediate applications. In particular, it quantifies the statistics of instances when biomolecules in a biological cell reach their specific binding sites and trigger cellular regulation. Typically, the first-passage properties are given in terms of mean first-passage times. However, modern experiments now monitor single-molecular binding-processes in living cells and thus provide access to the full statistics of the underlying first-passage events, in particular, inherent cell-to-cell fluctuations. We here present a robust explicit approach for obtaining the distribution of FPTs to a small partially reactive target in cylindrical-annulus domains, which represent typical bacterial and neuronal cell shapes. We investigate various asymptotic behaviours of this FPT distribution and show that it is typically very broad in many biological situations, thus, the mean FPT can differ from the most probable FPT by orders of magnitude. The most probable FPT is shown to strongly depend only on the starting position within the geometry and to be almost independent of the target size and reactivity. These findings demonstrate the dramatic relevance of knowing the full distribution of FPTs and thus open new perspectives for a more reliable description of many intracellular processes initiated by the arrival of one or few biomolecules to a small, spatially localised region inside the cell.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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