研究團隊報導，研究人員使用超級計算機重建了13億6千萬個原子組成的葉綠體模型，一個紫色細菌中原始的光捕獲結構。該細胞器受到刺激後，與自然存在的表現相同。 （Christopher Maffeo）
科學家模擬了一種光合細菌的光捕獲結構的原子構造，解析了細菌如何將光能轉化成機體生長所需的能量。據研究人員報導，他們模擬出的細胞器和自然生物中的細胞器十分相似。這項工作有助於了解對生命至關重要的生物創新，即生物體結構如何將太陽光轉化為可以利用的化學能量。
研究人員將這項發現發表在《細胞》上。
這個研究團隊最初由美國伊利諾伊大學的物理學教授Klaus Schulten領導。2016年Klaus Schulten教授不幸去世，但這項研究仍在繼續。在一定程度上，這項研究實現了Schulten多年來的夢想，即發現了原子水平的相互作用如何構建和為生命體供能。
這項研究的共同作者Melih Sener表示，Schulten在職業生涯的早期就決定研究光合作用系統。Melih Sener是貝克曼高級科學技術研究所的一名研究人員，該研究的大部分工作都在此完成。Schulten和Sener以葉綠體為模型。葉綠體是一種原始的光合作用細胞器，能產生ATP分子形式的化學能量。在這項研究中，他們還與英國謝菲爾德大學的Neil Hunter教授長期合作，後者為研究提供了大量實驗數據。
伊利諾伊大學的生化教授、文章的共同作者Emad Tajkhorshid說：「Schulten曾是一個物理學家，他想在物理層面上了解生物學。但是他後來意識到，只有把所有的複雜性都放入模型，生物學才能發揮作用。而要做到這一點，必須依靠超級計算機。」
一直以來，Schulten都在招募並支持來自伊利諾州以及其他地方的合作者，希望他們能幫助他完成這個挑戰。在四年的研究期間，Schulten的團隊動用了大量的超級計算機，構建了具有1.36億個原子的葉綠體模型。研究工作最終通過田納西州的橡樹嶺國家實驗室的泰坦和頂峰超級計算機，以及伊利諾伊大學超級計算機應用國家中心的藍海超級計算機完成。
Schulten和他的同事已經實現了合成ATP為細胞提供能量的葉綠體內多種蛋白和脂質的分子模擬。
該研究牽頭人Abhishek Singharoy與物理學教授Klaus Schulten合作，在伊利諾州開展工作。Singharoy現今是亞利桑那州立大學的教授。 （圖片來源：Abhishek Singharoy）
這項研究的主要作者Abhishek Singharoy表示：「葉綠體包括了一個天線，一塊電池和一個馬達。」天線可以吸收光能，而電池會將能量傳輸到馬達，由馬達產生ATP。2017年，在Singharoy 接受亞利桑那州立大學教授職位之前，他和Schulten一起在伊利諾伊工作。
Schulten去世後，伊利諾伊大學的物理學教授Aleksei Aksimentiev領導了這項研究。他表示，要想闡明這個系統如何工作，需要把所有部分組裝在一起。這意味著需要利用一切可利用的工具來研究葉綠體，從實驗研究到電鏡觀察，再到利用編程創新將計算上的難題轉化為可控的編程步驟。
一旦，他們獲得了葉綠體的運作模型，就可以觀察模擬的葉綠體在不同情景下發揮功能的機制。比如說，他們可以改變鹽濃度，來觀察葉綠體如何應對壓力。
當他們把模擬的葉綠體放入它在細胞中的生理環境下時，他們驚奇地發現葉綠體瞬間不再是原本的球形了，一些蛋白質開始在細胞膜上聚集。
Aksimentiev說：「一開始它是完美的球形，但很快形狀就不那麼完美了，有平坦的區域，也有高度彎曲的小區域。我們的計算顯示，這些現象都有其生物學功能。」
研究人員發現這些聚集的蛋白質會產生帶正電和負電的模塊，可以促進系統中電子的分布。最終電子會被質子替換，驅動分子馬達ATP合酶產生ATP。
Sener表示：「葉綠體的結構就像一個電路圖。如果你知道能量和電子在其中如何流動，你就可以知道機器如何運作。葉綠體大體上就是一個電子器件。」
研究人員表示，這項研究證明在原子尺度上，物理學驅動了生物學。他們說這項工作將為今後對其他微生物、植物和動物中更加複雜的能量產生細胞器的研究提供幫助。它還將促進科學家用自然的方法去解決人類面臨的問題：即如何在不毒害自身的條件下，高效地從環境中獲得能量。
翻譯：唐儆
審校：石雲雷
引進來源：伊利諾伊大學香檳分校
引進連結：https://phys.org/news/2019-11-simulation-reveals-bacterial-organelle-sunlight.html