Ученые смоделировали каждый атом светособирающей структуры фотосинтезирующей бактерии, вырабатывающей энергию для организма. Исследователи сообщают, что смоделированная органелла ведет себя так же, как ее аналог в природе. Работа является важным шагом к пониманию того, как некоторые биологические структуры преобразуют солнечный свет в химическую энергию, биологическое новшество, необходимое для жизни.
Исследователи сообщают о своих выводах в журнале Cell.
Команду первоначально возглавлял профессор физики Университета Иллинойса Клаус Шультен, и она продолжила работу после смерти Шультена в 2016 году. Исследование отчасти реализует многолетнюю мечту Шультена об открытии механизмов, с помощью которых взаимодействия на атомном уровне создавать и оживлять живые системы.
Шультен в самом начале своей карьеры решил изучать системы фотосинтеза, говорит соавтор исследования Мелих Зенер, научный сотрудник Института передовых наук и технологий им. был проведен. Шультен и Зенер смоделировали хроматофор, примитивную фотосинтезирующую органеллу, производящую химическую энергию в форме молекулы, известной как АТФ. Эта работа включала долгосрочное сотрудничество с Нилом Хантером из Университета Шеффилда, который предоставил большую часть экспериментальных данных.
«Шультен был физиком; он хотел понять биологию на физическом уровне», - сказал профессор биохимии из Иллинойса и соавтор исследования Эмад Тайхоршид.«Но затем он понял, что биология работает только в том случае, если вы вложите всю сложность в модель. И единственный способ сделать это - с помощью суперкомпьютеров».
На протяжении многих лет Шультен нанимал и поддерживал сотрудников в Иллинойсе и других местах, чтобы помочь ему справиться с этой задачей. Команда построила модель хроматофора из 136 миллионов атомов, что потребовало колоссальной мощности суперкомпьютера в течение четырех лет. Работа проводилась на суперкомпьютерах Titan и Summit в Окриджской национальной лаборатории в Ноксвилле, штат Теннесси; и на Blue Waters, расположенном в Национальном центре суперкомпьютерных приложений в Университете И.
Шультен и его коллеги уже провели молекулярное моделирование многих отдельных белковых и липидных компонентов хроматофора, который производит АТФ, необходимый для питания живой клетки.
«Хроматофор имеет антенну, батарею и двигатель», - сказал ведущий автор исследования Абхишек Сингхарой. По его словам, антенна собирает свет, батарея направляет эту энергию на двигатель, а двигатель вырабатывает АТФ. Сингхарой работал с Шультеном в Иллинойсе, прежде чем принять должность профессора в Университете штата Аризона в Темпе в 2017 году.
Выяснение того, как работает система, требовало соединения всех частей вместе, сказал профессор физики из Иллинойса Алексей Аксиментьев, руководивший проектом до завершения после смерти Шультена. По словам Аксиментьева, это означало препарирование хроматофора всеми доступными науке инструментами, от лабораторных экспериментов до электронной микроскопии и инноваций в программировании, которые разбивали вычислительную задачу на управляемые этапы..
Как только у них появилась рабочая модель хроматофора, исследователи наблюдали за симуляциями, которые показали, как органелла функционирует в различных сценариях. Например, они изменили концентрацию соли в его среде, чтобы посмотреть, как он справляется со стрессом.
Когда они подвергли свою смоделированную органеллу условиям, которые она обычно испытывает в клетке, они были удивлены ее поведением. Она сразу же стала менее сферической, и некоторые белки, встроенные в мембрану, начали слипаться.
«Мы начали с идеальной сферы, но очень быстро она стала несовершенной, с плоскими участками и небольшими участками с большой кривизной», - сказал Аксиментьев. «И все это, как показывают наши расчеты, имеет биологическую роль».
Исследователи обнаружили, что комкующиеся белки создают участки положительных и отрицательных зарядов, которые облегчают распределение электронов по системе. В конечном итоге электроны заменяются протонами, которые приводят в действие фермент, известный как АТФ-синтаза, мотор, производящий АТФ.
«Структура хроматофора похожа на принципиальную схему», - сказал Сенер. «Если вы знаете, как в нем перемещаются энергия и заряды, вы знаете, как работает машина. Хроматофор - это, по сути, электронное устройство».
Исследование подтверждает, что в атомном масштабе физика управляет биологией, говорят исследователи. По их словам, эта работа послужит информацией для будущих исследований более сложных органелл, генерирующих энергию, в других микроорганизмах, а также в растениях и животных. И это продвинет понимание учеными решения природы вечной человеческой проблемы: как эффективно извлекать энергию из окружающей среды, не отравляя себя.