Ondanks de grote diversiteit onder levende organismen, het molecuul dat wordt gebruikt om energie op te slaan en over te dragen in aerobe, of zuurstofverbruikende, cellen is opmerkelijk hetzelfde. Van bacteriën tot schimmels, planten, en dieren, adenosinetrifosfaat (ATP) dient als de universele energievaluta van het leven, het voeden van de processen die cellen nodig hebben om te overleven en te functioneren.

In de loop van een dag, een persoon zal doorgaans het equivalent van zijn of haar lichaamsgewicht aan ATP gebruiken; echter, het menselijk lichaam draagt ​​slechts een kleine hoeveelheid van het molecuul tegelijk. Dat betekent dat cellen voortdurend hun beperkte capaciteit moeten recyclen of aanvullen, vertrouwen op een zeer efficiënte moleculaire motor genaamd ATP-synthase om het werk te doen.

Als onderdeel van een project dat is gericht op het modelleren van hoe eencellige paarse bacteriën licht in voedsel veranderen, een team van computationele wetenschappers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign (UIUC) simuleerde een complete ATP-synthase tot in alle atoomdetails. Het werk bouwt voort op de eerste fase van het project - een fotosynthetisch organel van 100 miljoen atomen dat een chromatofoor wordt genoemd - en geeft wetenschappers een ongekende blik in een biologische machine waarvan de energie-efficiëntie die van elk kunstmatig systeem ver overtreft.

Voor het eerst voorgesteld onder leiding van wijlen Klaus Schulten, een pionier op het gebied van computationele biofysica en de oprichter van de Theoretical and Computational Biophysics Group bij UIUC, het onderzoek is gevorderd onder leiding van Abhishek Singharoy, co-hoofdonderzoeker en een postdoctoraal onderzoeker van de National Science Foundation bij het Center for the Physics of Living Cells van de UIUC.

Naast Singharoy, het team bestaat uit leden van de groepen UIUC-hoogleraren Emad Tajkhorshid, Zaida Luthey-Schulten en Aleksei Aksimentiev; onderzoekswetenschapper Melih Sener; en ontwikkelaars Barry Isralewitz, Jim Philips, en John Steen. Experimenteel medewerker Neil Hunter van de Universiteit van Sheffield in Engeland nam ook deel aan het project.

Het door UIUC geleide team heeft zijn megamodel gebouwd en getest onder een meerjarige toewijzing die is toegekend via het programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment op de Titan-supercomputer, een Cray XK7 beheerd door de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), een DOE Office of Science User Facility in het Oak Ridge National Laboratory van DOE.

Titaan gebruiken, het team produceerde een virtueel hulpmiddel dat tot in detail de chemische energie-output van een fotosynthetisch systeem kan voorspellen op basis van de hoeveelheid geabsorbeerd zonlicht. Het onderzoek zou ooit kunnen bijdragen aan geavanceerde schone energietechnologie waarin biologische concepten zijn verwerkt.

"De natuur heeft de chromatofoor zo ontworpen dat deze voldoende ATP's kan genereren zodat deze bacteriën kunnen overleven in omgevingen met weinig licht, zoals de bodem van vijvers en meren, "Zei Singharoy. "Ons werk heeft dit energieomzettingsproces tot in detail vastgelegd en ons in staat gesteld om de efficiëntie ervan te voorspellen."

Licht in beweging

Vaak aangeduid als de energiecentrale van de cel, ATP-synthase is een complex enzym dat de synthese van zijn moleculaire voorlopers versnelt, adenosinedifosfaat (ADP) en fosfaat. Ingebed in het binnen- en buitenmembraan van de chromatofoor, de enzymatische motor bestaat uit drie hoofdonderdelen:een door ionen aangedreven rotor, een centrale stengel, en een eiwitring.

Vergelijkbaar met een waterrad dat wordt gedraaid door de kracht van een stromende stroom, de ATP-synthaserotor maakt gebruik van de elektrochemisch gestimuleerde beweging van ionen, zoals protonen of natrium, van hoge concentratie naar lage concentratie over het membraan. De resulterende mechanische energie wordt overgebracht naar de centrale stengel, die de eiwitring helpt bij het synthetiseren van ATP.

Opmerkelijk, het proces werkt omgekeerd net zo goed. Wanneer te veel ionen zich ophopen aan de buitenzijde van de chromatofoor, de ATP-synthase-eiwitring zal ATP afbreken tot ADP, een proces genaamd hydrolyse, en ionen zullen terugstromen naar de binnenkant.

"Normaal gesproken, je zou tijdens dit proces veel energieverlies verwachten, zoals in elke door de mens gemaakte motor, maar het blijkt dat ATP-synthase heel weinig afval heeft, Singharoy zei. "Hoe deze motor is ontworpen om energieverlies te minimaliseren, is de vraag die we begonnen te stellen."

Vergelijkbaar met een knutselaar die een motor uit elkaar haalt om beter te begrijpen hoe het werkt, Singharoy's team brak de 300 af, 000-atoom enzym in zijn samenstellende delen. Puttend uit tientallen jaren onderzoek naar ATP-synthase, eerdere modellen, en nieuwe experimentele gegevens geleverd door een Japans team onder leiding van Takeshi Murata van het RIKEN Center for Life Science Technologies, het team heeft de stukjes van de ATP-synthasepuzzel onafhankelijk en samen op Titan geconstrueerd en gesimuleerd.

Om belangrijke processen vast te leggen die zich afspelen over tijdschalen van milliseconden, Singharoy, in samenwerking met Christophe Chipot van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek en Mahmoud Moradi van de Universiteit van Arkansas, de moleculaire dynamica code NAMD strategisch ingezet. Het team voerde een ensemblestrategie uit, het volgen van de beweging van ongeveer 1, 000 replica's van ATP-synthase tegelijk met tijdstappen van 2 femtoseconden, of 2, 000 biljoenste van een seconde. In totaal, het team verzamelde 65 microseconden (65 miljoenste van een seconde) simulatietijd, deze informatie gebruiken om bewegingen te extrapoleren die plaatsvinden in de loop van een milliseconde (1 duizendste van een seconde).

Als resultaat, het team identificeerde voorheen ongedocumenteerde draaibewegingen in de eiwitring die de efficiëntie van de moleculaire motor helpen verklaren. evenzo, de simulaties van het team legden de rubberen bandachtige elasticiteit van de centrale stengel van het enzym vast. Singharoy's team schatte dat in combinatie met de eiwitring, de stengel absorbeert ongeveer 75 procent van de energie die vrijkomt bij hydrolyse.

Aanvullend, simulaties van de eiwitring op zichzelf onthulden een eenheid die onafhankelijk kan functioneren, een bevinding gerapporteerd in experimenten, maar niet in computationele details. "Zelfs bij afwezigheid van de middelste stengel, de eiwitring zelf is in staat tot ATP-hydrolyse. Het is niet erg efficiënt, maar het heeft het vermogen, ', zegt Singharoy.

Het grote plaatje

Na simulatie van het volledige ATP-synthasemodel, het UIUC-team nam het enzym op in zijn eerder geconstrueerde chromatofoormodel om het meest uitgebreide beeld van een fotosynthetisch systeem tot nu toe te krijgen.

Met dit virtuele biologische zonnepaneel, het team kon elke stap van het energieconversieproces meten - van het oogsten van licht, tot elektronen- en protonoverdracht, naar ATP-synthese - en de mechanische onderbouwing ervan beter te begrijpen.

De chromatofoor van de natuur is ontworpen voor intensiteit bij weinig licht, slechts tussen de 3 en 5 procent van het zonlicht absorberen op een normale dag. Het team, door de inspanningen van Sener, ontdekte dat deze absorptiesnelheid zich vertaalt naar ongeveer 300 ATP's per seconde, dat is de hoeveelheid die een bacterie nodig heeft om in leven te blijven.

Na het ontwerp van de natuur te hebben bestudeerd, het team wilde nu kijken of het dit kon verbeteren. Uitgaande van dezelfde hoeveelheid lichtintensiteit, het team ontwierp een kunstmatige chromatofoor met een uitgesproken onnatuurlijke eiwitsamenstelling, het stimuleren van de aanwezigheid van twee soorten gespecialiseerde eiwitten. Analyse van het nieuwe ontwerp voorspelde een verdrievoudiging van de ATP-productie van het fotosynthetische systeem, het openen van de mogelijkheid voor de door de mens geleide optimalisatie van de chromatofoor.

"Je zou potentieel een chromatofoor genetisch kunnen modificeren of de concentratie van eiwitten kunnen veranderen, " Zei Singharoy. "Deze voorspellingen beloven nieuwe ontwikkelingen in kunstmatige fotosynthese voort te brengen."

Onder de laatste INCITE-toewijzing, het UIUC-team draait om energieconversie in een andere levensvorm:dieren. Nemen wat het heeft geleerd van het modelleren van fotosynthese in paarse bacteriën, het team modelleert cellulaire ademhaling, het proces dat dierlijke cellen gebruiken om voedingsstoffen om te zetten in ATP.

"Je hebt minstens twee eiwitten gemeen tussen ademhaling en fotosynthese, " zei Singharoy, die zijn betrokkenheid bij het project voortzet als assistent-professor aan de Arizona State University. "De vraag is welke ontwerpprincipes worden overgedragen naar hogere organismen?"

leven in situ

Simulatie van de chromatofoor - compleet met ATP-synthase - markeert een voortdurende verschuiving in computationele biofysica van het analyseren van individuele celdelen (bijv. enkele eiwitten en honderden atomen) tot het analyseren van hele celsystemen (bijv. honderden eiwitten en miljoenen atomen).

Schulten, die in oktober 2016 is overleden, begreep beter dan de meeste mensen het belang van het gebruik van computers om de natuur te simuleren. In een interview in 2015 hij legde zijn reden voor het modelleren van de chromatofoor. "De motivatie is om een ​​zeer belangrijke stap in het leven op aarde te begrijpen waarvan al het leven tegenwoordig afhangt. Energietechnisch is 95 procent van het leven op aarde afhankelijk van fotosynthese, inclusief mensen, " hij zei.

Schulten begreep ook de mijlpaal die een gespecialiseerd organel vertegenwoordigde op de weg naar het simuleren van een volledig eencellig organisme. "We hebben niets kleiner dan een cel die we levend zouden noemen, "zei hij. "Het is het kleinste levende wezen, en we willen het begrijpen."

Met supercomputers van de volgende generatie, waaronder de OLCF-top, die in 2018 online zal komen, de in 1989 opgerichte onderzoeksgroep Schulten bereidt zich voor op de grote uitdaging om een ​​cel te simuleren.

Onder leiding van Tajkhorshid, het team is van plan om de eerste cel met een miljard atomen te simuleren, inclusief de basiscomponenten die een cel nodig heeft om te overleven en te groeien. Verbeteringen aan NAMD en het werk dat wordt gedaan in het kader van het Centre for Accelerated Application Readiness-programma van OLCF helpen om de visie van Schulten en anderen te realiseren.

"We blijven vooruitgaan, "Zei Singharoy. "Onze uitputtende studie van een compleet organel in alle atoomdetails heeft de deur geopend voor een volledige cel in alle-atoomdetails."