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原子模拟揭示叶绿体如何利用光能

来源:环球科学

研究团队报道,研究人员使用超级计算机重建了13亿6千万个原子组成的叶绿体模型,一个紫色细菌中原始的光捕获结构。该细胞器受到刺激后,与自然存在的表现相同。 (Christopher Maffeo)

科学家模拟了一种光合细菌的光捕获结构的原子构造,解析了细菌如何将光能转化成机体生长所需的能量。据研究人员报道,他们模拟出的细胞器和自然生物中的细胞器十分相似。这项工作有助于了解对生命至关重要的生物创新,即生物体结构如何将太阳光转化为可以利用的化学能量。

研究人员将这项发现发表在《细胞》上。

这个研究团队最初由美国伊利诺伊大学的物理学教授Klaus Schulten领导。2016年Klaus Schulten教授不幸去世,但这项研究仍在继续。在一定程度上,这项研究实现了Schulten多年来的梦想,即发现了原子水平的相互作用如何构建和为生命体供能。

这项研究的共同作者Melih Sener表示,Schulten在职业生涯的早期就决定研究光合作用系统。Melih Sener是贝克曼高级科学技术研究所的一名研究人员,该研究的大部分工作都在此完成。Schulten和Sener以叶绿体为模型。叶绿体是一种原始的光合作用细胞器,能产生ATP分子形式的化学能量。在这项研究中,他们还与英国谢菲尔德大学的Neil Hunter教授长期合作,后者为研究提供了大量实验数据。

伊利诺伊大学的生化教授、文章的共同作者Emad Tajkhorshid说:“Schulten曾是一个物理学家,他想在物理层面上了解生物学。但是他后来意识到,只有把所有的复杂性都放入模型,生物学才能发挥作用。而要做到这一点,必须依靠超级计算机。”

一直以来,Schulten都在招募并支持来自伊利诺伊州以及其他地方的合作者,希望他们能帮助他完成这个挑战。在四年的研究期间,Schulten的团队动用了大量的超级计算机,构建了具有1.36亿个原子的叶绿体模型。研究工作最终通过田纳西州的橡树岭国家实验室的泰坦和顶峰超级计算机,以及伊利诺伊大学超级计算机应用国家中心的蓝海超级计算机完成。

Schulten和他的同事已经实现了合成ATP为细胞提供能量的叶绿体内多种蛋白和脂质的分子模拟。

该研究牵头人Abhishek Singharoy与物理学教授Klaus Schulten合作,在伊利诺伊州开展工作。Singharoy现今是亚利桑那州立大学的教授。 (图片来源:Abhishek Singharoy)

这项研究的主要作者Abhishek Singharoy表示:“叶绿体包括了一个天线,一块电池和一个马达。”天线可以吸收光能,而电池会将能量传输到马达,由马达产生ATP。2017年,在Singharoy 接受亚利桑那州立大学教授职位之前,他和Schulten一起在伊利诺伊工作。

Schulten去世后,伊利诺伊大学的物理学教授Aleksei Aksimentiev领导了这项研究。他表示,要想阐明这个系统如何工作,需要把所有部分组装在一起。这意味着需要利用一切可利用的工具来研究叶绿体,从实验研究到电镜观察,再到利用编程创新将计算上的难题转化为可控的编程步骤。

一旦,他们获得了叶绿体的运作模型,就可以观察模拟的叶绿体在不同情景下发挥功能的机制。比如说,他们可以改变盐浓度,来观察叶绿体如何应对压力。

当他们把模拟的叶绿体放入它在细胞中的生理环境下时,他们惊奇地发现叶绿体瞬间不再是原本的球形了,一些蛋白质开始在细胞膜上聚集。

Aksimentiev说:“一开始它是完美的球形,但很快形状就不那么完美了,有平坦的区域,也有高度弯曲的小区域。我们的计算显示,这些现象都有其生物学功能。”

研究人员发现这些聚集的蛋白质会产生带正电和负电的模块,可以促进系统中电子的分布。最终电子会被质子替换,驱动分子马达ATP合酶产生ATP。

Sener表示:“叶绿体的结构就像一个电路图。如果你知道能量和电子在其中如何流动,你就可以知道机器如何运作。叶绿体大体上就是一个电子器件。”

研究人员表示,这项研究证明在原子尺度上,物理学驱动了生物学。他们说这项工作将为今后对其他微生物、植物和动物中更加复杂的能量产生细胞器的研究提供帮助。它还将促进科学家用自然的方法去解决人类面临的问题:即如何在不毒害自身的条件下,高效地从环境中获得能量。

翻译:唐儆

审校:石云雷

引进来源:伊利诺伊大学香槟分校

引进链接:https://phys.org/news/2019-11-simulation-reveals-bacterial-organelle-sunlight.html

 

本文来自:环球科学
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