Das 136-Millionen-Atom-Modell

Wissenschaftler simulieren Photosynthese

Forscher nutzten Supercomputer, um ein 136 Millionen-Atom-Modell des Chromatophoren zu konstruieren, einer primitiven lichterntenden Struktur in Purpurbakterien. Die simulierte Organelle verhielt sich genauso wie in der Natur, berichtet das Team – Grafik von Christopher Maffeo, University of Illinois

Die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie ist lebenswichtig. In einer der weltweit größten Simulationen eines Biosystems haben Wissenschaftler einer Medienmitteilung vom 04.12.2019 der Bremer Jacobs-Universität folgend seinen komplexen Prozess für eine Komponente eines Bakteriums nachgeahmt – am Computer, Atom für Atom. Die am 14.11.2019 in der Zeitschrift Cell veröffentlichte Arbeit ist ein wichtiger Schritt  zum besseren Verständnis der Photosynthese in einigen biologischen Strukturen. Unter der Leitung der University of Illinois (U. of I.)  war auch ein Team der Jacobs University Bremen an der internationalen Forschungszusammenarbeit beteiligt.

Initiator des Projekts war der am 31.10.2016 verstorbene deutsch-amerikanische U. of I.-Physikprofessor Klaus Schulten von der, der das Verständnis und die Darstellung atomarer Wechselwirkungen lebender Systeme erforschte. Seine Forschungsgruppe modellierte das Chromatophor, den pigmenttragenden und lichtabsorbierenden Teil einer Zelle, der chemische Energie in Form eines Adenosintriphosphat-Moleküls (ATP) freisetzt. Diese Chromatophoren finden sich sowohl in Pflanzenzellen als auch in einigen Bakterien.

“Sie verhalten sich wie eine Solarzelle der Zelle. Mit ihren Antennenkomplexen absorbieren sie Licht und geben Energie in Form von ATP für alle anderen Zellaktivitäten ab”, sagt Ulrich Kleinekathöfer. Der Professor für theoretische Physik an der Jacobs University arbeitete an dem Projekt zusammen mit seiner Doktorandin Ilaria Mallus. Basierend auf den Daten ihrer amerikanischen Kollegen führten sie quantenmechanische Berechnungen für das Modell durch.

Das Modell des Chromatophoren ist kugelförmig rund, Wissenschaftler verwendeten Computer mit einer enormen Kapazität, um es zu entwickeln. Die Simulation verhält sich genauso wie ihr Gegenstück in der Natur – Quelle © Christopher Maffeo, University of Illinois

Um herauszufinden, wie dieses System funktioniert, hat die internationale Forschergruppe das Chromatophor mit allen Werkzeugen der Wissenschaft seziert, von Laborexperimenten über die Rasterkraftmikroskopie bis hin zu Softwareinnovationen. Alle Teile wurden im 136-Millionen-Atommodell wieder zusammengebaut, das sich wie sein Gegenstück in der Natur verhält. Dies war nur mit Hilfe von enorm leistungsfähigen Supercomputern möglich. “Standardsimulationen funktionieren mit etwa 100.000 Atomen, dieses Modell ist 1.000 mal größer, es ist ein Fortschritt in neue Dimensionen”, sagt Kleinekathöfer.

Bisher konnten die Forscher meist nur einzelne Proteine simulieren. Das Modell zeigt das Zusammenspiel sehr vieler Proteine entlang der gesamten Prozesskette, von der Lichtabsorption bis zur Produktion von ATP. “Irgendwann werden wir ein ganzes Bakterium oder eine ganze Zelle simulieren können”, glaubt Kleinekathöfer. “Das ist ein wichtiger Schritt in Richtung dieses Ziels.”

Abstract aus Cell

“Wir berichten über ein Modell im Atommaßstab von 100 Millionen Atomen einer ganzen Zellorganelle, einem photosynthetischen chromatophoren Vesikel aus einem violetten Bakterium, das die Kaskade der

Das Forschungsteam (v. li.): Chemieprofessor Zaida (Zan) Luthey-Schulten, Barry Isralewitz (Forschungsprogrammierer, Beckman Institute ), Chemieprofessor Taras Pogorelov, Physikprofessor Aleksei Aksimentiev, Chemieprofessor Peter Tieleman (University of Calgary), Jim Phillips (Forschungs-Programmierer, NCSA, Physik Postdoc Christopher Maffeo, John Stone (Forschungsprogrammierer, Beckman Institute ) und Biochemie-Professor Emad Tajkhorshid – Foto © L. Brian Stauffer

Energieumwandlungsschritte offenbart, die in der Erzeugung von ATP aus Sonnenlicht gipfeln. Molekulardynamiksimulationen dieses Vesikels verdeutlichen, wie die integralen Membrankomplexe die lokale Krümmung beeinflussen, um die Photoanregung von Pigmenten zu optimieren. Brownsche Dynamik kleiner Moleküle innerhalb der Chromatophorsonde erklärt die Mechanismen des gerichteten Ladungstransports unter verschiedenen pH- und Salzgehaltsbedingungen. Ein kinetisches Modell, das phänotypische Eigenschaften aus atomistischen Details reproduziert, zeigt, dass schwache Anpassungen des Bakteriums als spontanes Ergebnis der Optimierung des Gleichgewichts zwischen der strukturellen Integrität des Chromatophoren und der robusten Energieumwandlung entstehen. Parallelen werden zu den universelleren mitochondrialen bioenergetischen Maschinen gezogen, aus denen Erkenntnisse über den Mechanismus des zellulären Alterns auf molekularer Ebene abgeleitet werden. Gemeinsam ebnen unsere integrative Methode und spektroskopische Experimente den Weg zur First-Principles-Modellierung ganzer lebender Zellen.

Quellen: