模拟揭示细菌细胞器如何将阳光转化为化学能

科学家已经模拟了光合细菌中光收集结构的每个原子，该光合细菌为有机体产生能量。研究人员报告说，模拟的细胞器的行为与自然中的细胞器相似。这项工作是迈向了解某些生物结构如何将阳光转化为化学能(对生命至关重要的一种生物创新)的重要一步。

该团队最初由伊利诺伊大学物理学教授克劳斯·舒尔滕(Klaus Schulten)领导，并在舒尔滕(Schulten)于2016年去世后继续工作。这项研究部分实现了舒尔滕(Schulten)数十年来梦dream以求的发现原子级相互作用建立生命机制和使生命系统动画化的机制的梦想。 。

研究的共同作者，美国贝克曼先进科学技术研究所的研究科学家梅丽·塞纳说，舒尔滕在他的职业生涯的很早就决定研究光合系统。舒尔滕和森纳(Schulten and Sener)对色谱进行建模，该色谱是一种原始的光合作用细胞器，它以称为ATP的分子形式产生化学能。这项工作涉及与谢菲尔德大学的尼尔·亨特(Neil Hunter)的长期合作，后者提供了许多实验数据。

伊利诺伊州生物化学教授，研究合著者Emad Tajkhorshid说：“舒尔滕是一位物理学家;他想从物理学的角度理解生物学。” “但是后来他意识到生物学只有在将所有复杂性都纳入模型后才能起作用。而做到这一点的唯一方法是使用超级计算机。”

多年来，舒尔滕在伊利诺伊州和其他地方招募并支持了合作者，以帮助他应对挑战。该团队构建了一个1.36亿个原子的色谱模型，这项工作需要四年的大量超级计算机功能。这项工作是在田纳西州诺克斯维尔的橡树岭国家实验室的Titan和Summit超级计算机上进行的;以及位于美国联合王国国家超级计算应用国家中心的Blue Waters。

舒尔滕和他的同事们已经对染色体的许多单个蛋白质和脂质成分进行了分子模拟，产生了为活细胞提供动力所需的ATP。

研究主要作者Abhishek Singharoy说：“该色谱具有天线，电池和电动机。” 他说，天线收集光，电池将能量引导至电动机，电动机启动ATP。Singharoy在伊利诺伊州的舒尔滕工作，然后于2017年在坦佩的亚利桑那州立大学接受教授职位。

伊利诺伊州物理学教授Aleksei Aksimentiev说，弄清系统的工作原理需要将所有零件放在一起，他在Schulten死后指导了该项目的完成。Aksimentiev说，这意味着用科学上可用的每种工具解剖色谱，从实验室实验到电子显微镜，再到编程创新，将计算挑战分解为可管理的步骤。

一旦他们有了该色谱的工作模型，研究人员就可以观察模拟，揭示出细胞器在不同情况下的功能。例如，他们改变了盐在其环境中的浓度，以了解其如何应对压力。

当他们将模拟的细胞器暴露于细胞中通常会遇到的条件时，他们会对细胞的行为感到惊讶。它立即变得不那么球形，嵌入膜中的某些蛋白质开始聚集在一起。

Aksimentiev说：“我们从一个完美的球体开始，但是很快它就变得不完美了，平坦的区域和曲率很小的区域。” 我们的计算表明，所有这些都具有生物学作用。”

研究人员发现，聚集的蛋白质会产生正电荷和负电荷的补丁，促进电子在整个系统中的分布。电子最终被质子交换，质子驱动一种称为ATP合酶的酶，该酶产生ATP。

Sener说：“色谱的结构就像一个电路图。” “如果您知道其中的能量和电荷如何传播，您就会知道机器的工作原理。色谱仪基本上是一种电子设备。”

研究人员说，这项研究证实了在原子尺度上物理学是生物学的驱动力。他们说，这项工作将为进一步研究其他微生物以及植物和动物中更复杂的能量产生细胞器提供参考。它将提高科学家对自然界解决人类永久问题的理解：如何有效地从环境中提取能量而不会中毒。