Los científicos han simulado cada átomo de una estructura de captación de luz en una bacteria fotosintética que genera energía para el organismo. El orgánulo simulado se comporta igual que su contraparte en la naturaleza, informan los investigadores. El trabajo es un paso importante para comprender cómo algunos biológicoslas estructuras convierten la luz solar en energía química, una innovación biológica que es esencial para la vida.
Los investigadores informan sus hallazgos en la revista Celda .
Originalmente, el equipo fue dirigido por el profesor de física de la Universidad de Illinois Klaus Schulten y continuó el trabajo después de la muerte de Schulten en 2016. El estudio cumple, en parte, el sueño de décadas de Schulten de descubrir los mecanismos por los cuales las interacciones a nivel atómico se construyen y animanSistemas vivientes.
Schulten decidió muy temprano en su carrera estudiar sistemas fotosintéticos, dijo el coautor del estudio Melih Sener, científico investigador del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas de la U. de I., donde se realizó gran parte del trabajo.Schulten y Sener modelaron el cromatóforo, un orgánulo fotosintético primitivo que produce energía química en forma de una molécula conocida como ATP. Ese trabajo implicó una colaboración a largo plazo con Neil Hunter de la Universidad de Sheffield, que proporcionó gran parte de los datos experimentales.
"Schulten era físico; quería entender la biología a nivel físico", dijo el profesor de bioquímica de Illinois y coautor del estudio, Emad Tajkhorshid. "Pero luego se dio cuenta de que la biología solo funciona si se pone toda la complejidad en el modelo".Y la única forma de hacerlo era con supercomputadoras ".
Con los años, Schulten reclutó y apoyó a colaboradores en Illinois y en otros lugares para ayudarlo a enfrentar el desafío. El equipo construyó un modelo de cromatóforo de 136 millones de átomos, un esfuerzo que requirió una cantidad colosal de poder de supercomputadora durante un período de cuatroaños. El trabajo se realizó en las supercomputadoras Titan y Summit en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Knoxville, Tennessee; y en Blue Waters, ubicado en el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación en la U. de I.
Schulten y sus colegas ya habían realizado simulaciones moleculares de muchos de los componentes individuales de proteínas y lípidos del cromatóforo, que produce el ATP necesario para alimentar una célula viva.
"El cromatóforo tiene una antena, una batería y un motor", dijo el autor principal del estudio, Abhishek Singharoy. La antena capta la luz, la batería dirige esa energía al motor y el motor produce ATP, dijo. Singharoy trabajó con Schultenen Illinois antes de aceptar una cátedra en la Universidad Estatal de Arizona, Tempe en 2017.
Descubrir cómo funcionaba el sistema requería unir todas las partes, dijo el profesor de física de Illinois Aleksei Aksimentiev, quien guió el proyecto hasta su finalización después de la muerte de Schulten. Esto significó diseccionar el cromatóforo con todas las herramientas disponibles para la ciencia, desde experimentos de laboratorio hasta microscopía electrónica, a las innovaciones de programación que dividieron el desafío informático en pasos manejables, dijo Aksimentiev.
Una vez que tuvieron un modelo funcional del cromatóforo, los investigadores observaron simulaciones que revelaron cómo funcionaba el orgánulo en diferentes escenarios. Cambiaron la concentración de sal en su entorno, por ejemplo, para ver cómo lidiaba con el estrés.
Cuando expusieron su orgánulo simulado a las condiciones que normalmente experimenta en la célula, se sorprendieron de cómo se comportó. Inmediatamente se volvió menos esférico y ciertas proteínas incrustadas en la membrana comenzaron a agruparse.
"Comenzamos con una esfera perfecta, pero muy rápidamente se volvió imperfecta, con áreas planas y pequeñas áreas con altas curvaturas", dijo Aksimentiev. "Y todo eso, según nuestros cálculos, tiene un papel biológico".
Los investigadores encontraron que las proteínas de agrupamiento crean parches de cargas positivas y negativas que facilitan la distribución de electrones a través del sistema. Los electrones finalmente se intercambian por protones, que impulsan una enzima conocida como ATP sintasa, el motor que produce ATP.
"La estructura del cromatóforo es como un diagrama de circuito", dijo Sener. "Si sabes cómo viajan la energía y las cargas, sabes cómo funciona la máquina. El cromatóforo es básicamente un dispositivo electrónico".
El estudio confirma que, a escala atómica, la física impulsa la biología, dijeron los investigadores. El trabajo informará futuros estudios de orgánulos más complejos que generan energía en otros microorganismos, y en plantas y animales, dijeron. Y avanzaráLa comprensión de los científicos de la solución de la naturaleza a un problema humano perpetuo: cómo extraer eficientemente la energía del medio ambiente sin envenenarse.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Oficina de Noticias . Original escrito por Diana Yates. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :