细菌色素体如何将光能转化为化学能学术资讯

色素体是紫色细菌中原始的光合细胞器。研究人员使用超级计算机构建了一个包含1.36亿个原子的色素体模型，其表现与天然色素体的表现类似。

色素体是紫色细菌中最原始的光合细胞器。近日，美国伊利诺伊大学香槟分校的科学家们使用超级计算机构建了色素体模型，并利用这个模型观察了色素体进行能量转换的方式。这项工作是了解某些生物结构如何将光能转化为化学能的重要一步，相关结果发表于《细胞》杂志。

美国伊利诺伊大学的物理学教授Klaus Schulten领导了这项工作，2016年Schulten去世后，研究人员在物理学教授Aleksei Aksimentiev的指导下继续了这项工作。现在的研究成果在一定程度上实现了Schulten数十年来的梦想，即发现原子级相互作用是如何构建和激活生命系统的。

“Schulten在他职业生涯的早期就做了研究光合系统的决定。”论文作者、贝克曼先进科学技术研究所的Melih Sener说。Schulten和Sener一起构建了色素体模型，这种原始光合细胞器，能够以ATP分子的形式产生化学能。“Schulten是个物理学家，他想在物理学水平上理解生物学。但后来他意识到，只有把所有的复杂性都放到模型里，生物学才会发挥作用。超级计算机是实现这个设想的唯一工具。”论文作者、伊利诺斯州的生物化学教授Emad Tajkhorshid说。经过数年的努力，Schulten的团队使用超级计算机构建了一个包含1.36亿个原子的色素体模型，并对其中的许多蛋白质和脂质成分进行了分子模拟。

Abhishek Singharoy教授与Klaus Schulten教授合作完成了色素体建模研究。

“色素体有天线、电池和马达，天线接收光，电池将这些能量导入马达，使其产生ATP。” 论文作者Abhishek Singharoy说。“要弄清楚这个系统是如何工作的，需要把所有的部件放在一起。这意味着我们需要利用科学上可用的每一种工具来分析色素体。”Aleksei Aksimentiev说。

建成色素体模型后，研究人员在不同条件下观察了这个细胞器的工作方式。当模拟细胞器处于常规条件下时，研究人员发现其完美的圆球形结构立刻发生了改变，膜上的某些蛋白质开始聚集在一起。“模拟细胞器本来是一个完美的球体，但很快它就发生了变化，表面既有平坦的区域，也有高曲率区域，”Aksimentiev说，“计算结果显示，所有这些区域都在生物学上有作用。”聚集的蛋白质会产生正电荷和负电荷的斑块，促进电子在系统中的分布。电子最终被质子取代，随后质子驱动ATP合成酶产生ATP。

“色素体的结构就像一个电路图，如果知道其中的能量和电荷是如何运动的，我们就能了解其工作原理。”Sener说。

研究人员认为，这项研究证实了在原子尺度上，物理学驱动了生物学。这项研究也将为今后针对其他微生物、植物和动物中更复杂的产能细胞器的研究提供借鉴。它还将促进科学家们对“如何有效地从环境中提取能量而不毒害自己”这一永恒问题的理解。

科界原创

编译：花花

审稿：阿淼

责编：雷鑫宇

期刊来源：《细胞》

期刊编号： 0092-8674

原文链接：

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