Cell解答生物学终极问题:如何从环境中获取能量

【字体: 时间:2019年11月15日 来源:生物通

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  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。它将有助于科学家们解答人类永久存在的问题:如何有效地从环境中获取能量而不会中毒。

  

在一项最新研究中,科学家模拟了能为有机体产生能量的光合细菌中光收集结构的每个原子,研究人员报告说,模拟的细胞器行为与自然中的细胞器相似。这项工作迈出了解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。

这一研究发现公布在11月14日的Cell杂志上。

这项研究最初是由伊利诺伊大学生物物理学教授Klaus Schulten领导,Schulten是磁感应,动物迁徙和生物导航等研究领域的天才学者,他于2016年过逝,但这项研究在之后仍然继续着,最新研究成果部分实现了Schulten数十年来梦寐以求的梦想——发现原子级相互作用,模拟生命系统机制。

文章的另外一位作者,贝克曼先进科学技术研究所的Melih Sener说,Schulten在他职业生涯的很早时期就决定研究光合系统。Schulten 和 Sener对色素细胞(chromatophore)进行建模,这是一种原始的光合作用细胞器,它以ATP的分子形式产生化学能。

Schulten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,Schulten在伊利诺伊州和其他地方招募了合作者,帮助他应对挑战。这一团队构建了一个1.36亿个原子的色素细胞模型,需要四年的大量超级计算机功能。最终这项工作是在田纳西州橡树岭国家实验室的Titan和Summit,以及Blue Waters等超级计算机上完成的。

Schulten和他的同事们已经对色素细胞的许多单个蛋白质和脂质成分进行了分子模拟。

伊利诺伊大学教授Aleksei Aksimentiev在Schulten死后接替了该项目的指导工作,他说,弄清系统的工作原理需要将所有零件放在一起,这意味着用科学上可用的每种工具解剖色素细胞,从实验室到电子显微镜,再到编程创新,将计算挑战分解为可管理的步骤。

一旦他们构建出了色素细胞的工作模型,就可以观察模拟,揭示出这一细胞器在不同情况下的功能。例如,可以改变了盐在其环境中的浓度,了解细胞如何应对。

研究人员将模拟的色素细胞暴露于细胞中通常会遇到的条件,结果细胞出现的行为让他们感到惊讶:它立即出现了变形,嵌入膜中的某些蛋白质开始聚集在一起。

Aksimentiev说:“从一个完美的球体开始,但是很快它就变得不完美了,出现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,聚在一起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:“色素细胞的结构就像一个电路图。如果知道其中的能量和电荷如何传播,就能知道机器的工作原理。从根本上说,色素细胞是一种电子设备。”

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。它将有助于科学家们解答人类永久存在的问题:如何有效地从环境中获取能量而不会中毒。

(生物通)

原文标题:

Atoms to phenotypes: Molecular design principles of cellular energy metabolism



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