模擬揭示細菌細胞器如何將陽光轉化為化學能

科學家已經模擬了光合細菌中光收集結構的每個原子，該光合細菌為有機體產生能量。研究人員報告說，模擬的細胞器的行為與自然中的細胞器相似。這項工作是邁向了解某些生物結構如何將陽光轉化為化學能(對生命至關重要的一種生物創(chuàng)新)的重要一步。

該團隊最初由伊利諾伊大學物理學教授克勞斯·舒爾滕(Klaus Schulten)領導，并在舒爾滕(Schulten)于2016年去世后繼續(xù)工作。這項研究部分實現(xiàn)了舒爾滕(Schulten)數(shù)十年來夢dream以求的發(fā)現(xiàn)原子級相互作用建立生命機制和使生命系統(tǒng)動畫化的機制的夢想。 。

研究的共同作者，美國貝克曼先進科學技術研究所的研究科學家梅麗·塞納說，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)對色譜進行建模，該色譜是一種原始的光合作用細胞器，它以稱為ATP的分子形式產生化學能。這項工作涉及與謝菲爾德大學的尼爾·亨特(Neil Hunter)的長期合作，后者提供了許多實驗數(shù)據(jù)。

伊利諾伊州生物化學教授，研究合著者Emad Tajkhorshid說：“舒爾滕是一位物理學家;他想從物理學的角度理解生物學。” “但是后來他意識到生物學只有在將所有復雜性都納入模型后才能起作用。而做到這一點的唯一方法是使用超級計算機。”

多年來，舒爾滕在伊利諾伊州和其他地方招募并支持了合作者，以幫助他應對挑戰(zhàn)。該團隊構建了一個1.36億個原子的色譜模型，這項工作需要四年的大量超級計算機功能。這項工作是在田納西州諾克斯維爾的橡樹嶺國家實驗室的Titan和Summit超級計算機上進行的;以及位于美國聯(lián)合王國國家超級計算應用國家中心的Blue Waters。

舒爾滕和他的同事們已經對染色體的許多單個蛋白質和脂質成分進行了分子模擬，產生了為活細胞提供動力所需的ATP。

研究主要作者Abhishek Singharoy說：“該色譜具有天線，電池和電動機。” 他說，天線收集光，電池將能量引導至電動機，電動機啟動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接受教授職位。

伊利諾伊州物理學教授Aleksei Aksimentiev說，弄清系統(tǒng)的工作原理需要將所有零件放在一起，他在Schulten死后指導了該項目的完成。Aksimentiev說，這意味著用科學上可用的每種工具解剖色譜，從實驗室實驗到電子顯微鏡，再到編程創(chuàng)新，將計算挑戰(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，以了解其如何應對壓力。

當他們將模擬的細胞器暴露于細胞中通常會遇到的條件時，他們會對細胞的行為感到驚訝。它立即變得不那么球形，嵌入膜中的某些蛋白質開始聚集在一起。

Aksimentiev說：“我們從一個完美的球體開始，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。” 我們的計算表明，所有這些都具有生物學作用。”

研究人員發(fā)現(xiàn)，聚集的蛋白質會產生正電荷和負電荷的補丁，促進電子在整個系統(tǒng)中的分布。電子最終被質子交換，質子驅動一種稱為ATP合酶的酶，該酶產生ATP。

Sener說：“色譜的結構就像一個電路圖。” “如果您知道其中的能量和電荷如何傳播，您就會知道機器的工作原理。色譜儀基本上是一種電子設備。”

研究人員說，這項研究證實了在原子尺度上物理學是生物學的驅動力。他們說，這項工作將為進一步研究其他微生物以及植物和動物中更復雜的能量產生細胞器提供參考。它將提高科學家對自然界解決人類永久問題的理解：如何有效地從環(huán)境中提取能量而不會中毒。