模擬揭示細(xì)菌細(xì)胞器如何將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能

科學(xué)家已經(jīng)模擬了光合細(xì)菌中光收集結(jié)構(gòu)的每個(gè)原子，該光合細(xì)菌為有機(jī)體產(chǎn)生能量。研究人員報(bào)告說(shuō)，模擬的細(xì)胞器的行為與自然中的細(xì)胞器相似。這項(xiàng)工作是邁向了解某些生物結(jié)構(gòu)如何將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能(對(duì)生命至關(guān)重要的一種生物創(chuàng)新)的重要一步。

該團(tuán)隊(duì)最初由伊利諾伊大學(xué)物理學(xué)教授克勞斯·舒爾滕(Klaus Schulten)領(lǐng)導(dǎo)，并在舒爾滕(Schulten)于2016年去世后繼續(xù)工作。這項(xiàng)研究部分實(shí)現(xiàn)了舒爾滕(Schulten)數(shù)十年來(lái)夢(mèng)dream以求的發(fā)現(xiàn)原子級(jí)相互作用建立生命機(jī)制和使生命系統(tǒng)動(dòng)畫(huà)化的機(jī)制的夢(mèng)想。 。

研究的共同作者，美國(guó)貝克曼先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所的研究科學(xué)家梅麗·塞納說(shuō)，舒爾滕在他的職業(yè)生涯的很早就決定研究光合系統(tǒng)。舒爾滕和森納(Schulten and Sener)對(duì)色譜進(jìn)行建模，該色譜是一種原始的光合作用細(xì)胞器，它以稱(chēng)為ATP的分子形式產(chǎn)生化學(xué)能。這項(xiàng)工作涉及與謝菲爾德大學(xué)的尼爾·亨特(Neil Hunter)的長(zhǎng)期合作，后者提供了許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

伊利諾伊州生物化學(xué)教授，研究合著者Emad Tajkhorshid說(shuō)：“舒爾滕是一位物理學(xué)家;他想從物理學(xué)的角度理解生物學(xué)。” “但是后來(lái)他意識(shí)到生物學(xué)只有在將所有復(fù)雜性都納入模型后才能起作用。而做到這一點(diǎn)的唯一方法是使用超級(jí)計(jì)算機(jī)。”

多年來(lái)，舒爾滕在伊利諾伊州和其他地方招募并支持了合作者，以幫助他應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)1.36億個(gè)原子的色譜模型，這項(xiàng)工作需要四年的大量超級(jí)計(jì)算機(jī)功能。這項(xiàng)工作是在田納西州諾克斯維爾的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Titan和Summit超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的;以及位于美國(guó)聯(lián)合王國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用國(guó)家中心的Blue Waters。

舒爾滕和他的同事們已經(jīng)對(duì)染色體的許多單個(gè)蛋白質(zhì)和脂質(zhì)成分進(jìn)行了分子模擬，產(chǎn)生了為活細(xì)胞提供動(dòng)力所需的ATP。

研究主要作者Abhishek Singharoy說(shuō)：“該色譜具有天線(xiàn)，電池和電動(dòng)機(jī)。” 他說(shuō)，天線(xiàn)收集光，電池將能量引導(dǎo)至電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)ATP。Singharoy在伊利諾伊州的舒爾滕工作，然后于2017年在坦佩的亞利桑那州立大學(xué)接受教授職位。

伊利諾伊州物理學(xué)教授Aleksei Aksimentiev說(shuō)，弄清系統(tǒng)的工作原理需要將所有零件放在一起，他在Schulten死后指導(dǎo)了該項(xiàng)目的完成。Aksimentiev說(shuō)，這意味著用科學(xué)上可用的每種工具解剖色譜，從實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)到電子顯微鏡，再到編程創(chuàng)新，將計(jì)算挑戰(zhàn)分解為可管理的步驟。

一旦他們有了該色譜的工作模型，研究人員就可以觀察模擬，揭示出細(xì)胞器在不同情況下的功能。例如，他們改變了鹽在其環(huán)境中的濃度，以了解其如何應(yīng)對(duì)壓力。

當(dāng)他們將模擬的細(xì)胞器暴露于細(xì)胞中通常會(huì)遇到的條件時(shí)，他們會(huì)對(duì)細(xì)胞的行為感到驚訝。它立即變得不那么球形，嵌入膜中的某些蛋白質(zhì)開(kāi)始聚集在一起。

Aksimentiev說(shuō)：“我們從一個(gè)完美的球體開(kāi)始，但是很快它就變得不完美了，平坦的區(qū)域和曲率很小的區(qū)域。” 我們的計(jì)算表明，所有這些都具有生物學(xué)作用。”

研究人員發(fā)現(xiàn)，聚集的蛋白質(zhì)會(huì)產(chǎn)生正電荷和負(fù)電荷的補(bǔ)丁，促進(jìn)電子在整個(gè)系統(tǒng)中的分布。電子最終被質(zhì)子交換，質(zhì)子驅(qū)動(dòng)一種稱(chēng)為ATP合酶的酶，該酶產(chǎn)生ATP。

Sener說(shuō)：“色譜的結(jié)構(gòu)就像一個(gè)電路圖。” “如果您知道其中的能量和電荷如何傳播，您就會(huì)知道機(jī)器的工作原理。色譜儀基本上是一種電子設(shè)備。”

研究人員說(shuō)，這項(xiàng)研究證實(shí)了在原子尺度上物理學(xué)是生物學(xué)的驅(qū)動(dòng)力。他們說(shuō)，這項(xiàng)工作將為進(jìn)一步研究其他微生物以及植物和動(dòng)物中更復(fù)雜的能量產(chǎn)生細(xì)胞器提供參考。它將提高科學(xué)家對(duì)自然界解決人類(lèi)永久問(wèn)題的理解：如何有效地從環(huán)境中提取能量而不會(huì)中毒。