Titan supercomputer מנתח מערכת חיידקים פוטוסינתטית

The Choice is Ours (2016) Official Full Version (יוני 2019).

Anonim

למרות המגוון הגדול בין אורגניזמים חיים, המולקולה המשמשת לאחסון ושידור אנרגיה בתוך תאים אירוביים, או באמצעות חמצן, דומה להפליא. מ חיידקים פטריות, צמחים, ובעלי חיים, אדנוזין טריפוספט (ATP) משמש מטבע האנרגיה האוניברסלית של החיים, מזין את התהליכים תהליכים צריך לשרוד ולתפקד.

במהלך היום, אדם יהיה בדרך כלל להשתמש שווה ערך של bodyweight שלו או שלה ATP; עם זאת, גוף האדם נושא רק כמות קטנה של המולקולה בכל פעם. כלומר, תאים חייבים תמיד למחזר או לחדש את היכולת המוגבלת שלהם, בהסתמך על מנוע מולקולרית יעילה מאוד בשם ATP synthase לעשות את העבודה.

במסגרת פרויקט המוקדש להדגמה כיצד חיידקים סגולים חד תאיים הופכים אור למזון, צוות של מדענים ממוחשבים מאוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין (UIUC) הדמיין סינתזה מלאה של ה- ATP בפרטי האטום. העבודה מתבססת על השלב הראשון של הפרויקט - 100 מיליון אטום פוטוסינתטי של אטום הנקרא chromatophore - ומציעה למדענים הצצה חסרת תקדים למכונה ביולוגית אשר יעילות האנרגיה שלה עולה בהרבה על מערכת מלאכותית כלשהי.

ההצעה הראשונה בהנהגתו של קלאוס שולטן המנוח, חלוץ בתחום ביופיסיקה חישובית ומייסד קבוצת ביופיסיקה תיאורטית וחישובית ב- UIUC, המחקר התקדם תחת אחריותו של Abhishek Singharoy, שותף מנהל החוקר הלאומי הקרן למדע פוסט-דוקטורט עם המרכז של UIUC לפיסיקה של תאים חיים.

בנוסף לסינגהארווי, הצוות כולל חברים מקבוצות הפרופסורים של אוניברסיטת UIUC, Emad Tajkhorshid, Zaida Luthey-Schulten ו- Alksei Aksimentiev; מדען המחקר מלי סנר; ומפתחים ברי Isralewitz, ג 'ים פיליפס, וג' ון סטון. משתף הפעולה הניסיוני ניל האנטר מאוניברסיטת שפילד באנגליה השתתף גם הוא בפרויקט.

צוות ה- UIUC בנה ובדק את מודל מגה שלו תחת הקצאה רב שנתית שהוענקה באמצעות תוכנית החישוב החדשני והרומנטלי על תורת הניסוי והניסוי במחשב העל טיטאן, CK XK7 המנוהל על ידי משרד האנרגיה של ארה"ב (DOE) של Oak Ridge Leadership המיחשוב מתקן (OLCF), משרד DOE של המדע מתקן המשתמש ממוקם במעבדה הלאומית של אלון Ridge המעבדה.

באמצעות טיטאן, הצוות הפיק כלי וירטואלי שיכול לחזות בפירוט מדויק את תפוקת האנרגיה הכימית של מערכת פוטוסינתטית המבוססת על כמות אור השמש שנספגה. המחקר יכול יום אחד לתרום טכנולוגיה מתקדמת אנרגיה נקייה המשלבת מושגים ביולוגיים.

"הטבע עיצב את הכרומטופורה בצורה כזו שהוא יכול לייצר מספיק ATPs עבור חיידקים אלה כדי לשרוד בסביבות אור נמוך כגון תחתית של בריכות ואגמים", אמר סינגהארוי. "העבודה שלנו שנתפסו תהליך המרת אנרגיה זה בכל פרט האטום ואיפשר לנו לחזות את היעילות שלה."

אור בתנועה

המכונה לעתים קרובות תחנת הכוח של התא, ATP synthase הוא אנזים מורכב המאיץ את הסינתזה של מבשרי המולקולרי שלה, אדנוזין diphosphate (ADP) ו פוספט. מוטבע בתוך הממברנה הפנימית והחיצונית של כרומטופור, המנוע האנזימטי מורכב משלושה חלקים עיקריים - רוטור המופעל על ידי יונים, גבעול מרכזי וטבעת חלבון.

בדומה לגלגל מים המסתובב על ידי זרם של זרם זורם, רוטור סינתזה ATP רתמת את תנועת יונים אלקטרוכימית, כגון פרוטונים או נתרן, מריכוז גבוה לריכוז נמוך על פני הממברנה. כתוצאה מכך, אנרגיה מכנית מעבירה את הגבעול המרכזי, המסייע לטבעת החלבון לסנתז את ה- ATP.

למרבה הפלא, התהליך עובד בדיוק כמו הפוך. כאשר יונים רבים מדי לבנות על הצד החיצוני של chromatophore, טבעת ה- ATP סינתזה חלבון ישבור ATP לתוך ADP, תהליך הנקרא הידרוליזה, ויונים יזרום בחזרה אל הצד הפנימי.

"בדרך כלל, אתה מצפה הרבה אובדן אנרגיה במהלך תהליך זה, כמו בכל מנוע מעשה ידי אדם, אבל מסתבר סינתזה ATP יש מעט מאוד בזבוז", אמר Singharoy. "איך המנוע הזה נועד למזער את אובדן האנרגיה היא השאלה שהתחלנו לשאול".

בדומה לטינקרר המפרק מנוע כדי להבין טוב יותר כיצד הוא פועל, צוותו של סינגהארוי שבר את האנזים 300, 000-atom לחלקים המרכיבים אותו. ציור מתוך עשרות שנים של מחקר ATP synthase, מודלים בעבר, ונתונים ניסיוניים חדשים המסופקים על ידי צוות יפני בראשותו של טקשי Murata של RIKEN המרכז של מדעי החיים טכנולוגיות, הצוות נבנה ו לדמות את החלקים של הפאזל סינתיסייז ATP באופן עצמאי ויחד על עֲנָק.

כדי ללכוד תהליכים חשובים שמשחקים על פני סולמות זמן של מילי-שניות, סינגהארוי, בשיתוף עם כריסטוף צ'יפוט מהמרכז הלאומי הצרפתי למחקר מדעי ומחמוד מורדי מאוניברסיטת ארקנסו, פירס את הדינמיקה המולקולרית NAMD באופן אסטרטגי. הצוות ביצע אסטרטגיה אנסמבל, מעקב אחר ההצעה של כ -1, 000 עותקים משוכפלים של ATP synthase בו זמנית עם צעדים זמן של 2 femtosonds, או 2, 000 טריליון של השני. בסך הכל, הצוות צבר 65 מיקרו שניות (65 מיליונים של שנייה) של זמן סימולציה, באמצעות מידע זה כדי extrolate תנועות המתרחשות במהלך אלפית השנייה (1 אלפית השנייה).

כתוצאה מכך, הקבוצה זיהתה בעבר תנועות מתנדנדות מתועדות בטבעת החלבון, המסייעות להסביר את יעילותו של המנוע המולקולרי. באופן דומה, סימולציות של הקבוצה תפסו את הגומי דמוי גומי כמו גבעול האנזים המרכזי. צוות של Singharoy מעריכים כי כאשר מזווג עם טבעת חלבון, גבעול סופג על 75 אחוז מהאנרגיה שפורסמו במהלך הידרוליזה.

בנוסף, סימולציות של טבעת חלבון בפני עצמה חשפה יחידה שיכולה לפעול באופן עצמאי, ממצא המדווח בניסויים אך לא בפירוט חישובי. "אפילו בהיעדר גבעול המרכז, טבעת החלבון עצמה מסוגלת לטפל בהידרוליזה של ATP, זה לא יעיל מאוד, אבל יש לה את היכולת", אמר סינגהארוי.

התמונה הגדולה

לאחר הדמיית מודל ה- ATP המלא של ה- ATP, צוות ה- UIUC שילב את האנזים במודל chromatophore שנבנה קודם לכן כדי לקבל את התמונה המקיפה ביותר של מערכת פוטוסינתטית עד כה.

בעזרת פאנל סולארי ביולוגי וירטואלי זה, הצוות יכול למדוד כל שלב בתהליך המרת האנרגיה - החל בקטיף האור, ועד להעברת האלקטרונים והפרוטונים, לסינתזת ה- ATP - ולהבין טוב יותר את היסודות המכניים שלה.

הצ'רומטופור של הטבע מיועד לעוצמת אור נמוכה, רק סופג בין 3 ל -5% מאור השמש ביום טיפוסי. הצוות, באמצעות מאמציו של סנר, מצא שיעור קליטה זה מתרגם ל -300 ATPs לשנייה, וזה הסכום חיידק צריך להישאר בחיים.

לאחר שחקר את העיצוב של הטבע, הצוות רצה עכשיו לראות אם זה יכול לשפר את זה. בהנחה של אותה כמות של עוצמת אור, הצוות עיצב כרומטופור מלאכותי עם הרכב חלבון לא טבעי בעליל, מה שמעלה את נוכחותם של שני סוגים של חלבונים מיוחדים. ניתוח של העיצוב החדש חזה משולש של ייצור ATP של המערכת הפוטוסינתטית, פותח את האפשרות אופטימיזציה של כרומטופורה של האדם מונחה.

"אתה יכול לשנות גנטית chromatophore או לשנות את הריכוז של חלבונים, " אמר Singharoy. "התחזיות הללו מבטיחות להביא להתפתחויות חדשות בפוטוסינתזה מלאכותית".

תחת הקצאת INCITE האחרונה שלה, צוות UIUC הוא pivoting להמרת אנרגיה בצורת חיים אחרת: בעלי חיים. אם ניקח את מה שהיא למדה מ דוגמנות פוטוסינתזה בחיידקים סגולים, הצוות הוא דוגמנות הנשימה הסלולרית, בתאים התהליך החיה להשתמש כדי להמיר חומרים מזינים ל - ATP.

"יש לך לפחות שני חלבונים במשותף בין נשימה ופוטוסינתזה", אומר סינגהארוי, שממשיך את מעורבותו בפרויקט כפרופסור באוניברסיטת אריזונה. "השאלה היא מה עקרונות העיצוב לשאת לתוך אורגניזמים גבוהים יותר?"

החיים באתרו

סימולציה של chromatophore להשלים עם ATP synthase מסמן שינוי מתמשך ביופיסיקה חישובית מניתוח חלקי תא בודדים (למשל, חלבונים בודדים מאות אטומים) לניתוח מערכות תאים שלמים (למשל, מאות חלבונים ומיליוני אטומים).

Schulten, שנפטר באוקטובר 2016, הבין טוב יותר מאשר רוב האנשים את המשמעות של שימוש במחשבים כדי לדמות את הטבע. בראיון בשנת 2015, הוא הניח את הרציונל שלו עבור דוגמנות chromatophore. "המוטיבציה היא להבין את הצעד החשוב ביותר בחיים על כדור הארץ, שבו כל החיים תלויים כיום, כאשר 95% מהחיים על כדור הארץ תלויים בפוטוסינתזה, כולל בני אדם", אמר.

Schulten גם הבינו את אבן דרך מיוחדת organell המיוצג על הכביש כדי לדמות אורגניזם יחיד תא יחיד. "אין לנו שום דבר קטן יותר מתא שאנחנו קוראים לו בחיים, "אמר. "זו הישות הקטנה ביותר, ואנחנו רוצים להבין אותה".

עם מחשבי העל של הדור הבא, כולל ה- OLCF's Summit, שנקבעו להמשך שנת 2018, קבוצת המחקר Schulten שנוסדה ב -1989 מתכוננת להתמודד עם האתגר הגדול של הדמיה של תא.

תחת הנהגתו של Tajakhorshid, הצוות מתכנן לדמות את הראשון מיליארד אטום התא, כולל המרכיבים הבסיסיים בתא צריך לשרוד ולגדול. שיפורים NAMD ועבודה נעשה תחת מרכז OLCF של תוכנית מוכנות יישום מוכנות עוזרים להפוך את החזון של Schulten ואחרים מציאות.

"אנחנו ממשיכים להתקדם, "אמר סינגהארוי. "המחקר המקיף שלנו על האורגנל המלא בכל פרט האטום פתח את הדלת לתא מלא בפרטי האטום."

menu
menu