Wissenschaftler simulieren Photosynthese
Die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie ist lebenswichtig. In einer der weltweit größten Simulationen eines Biosystems haben Wissenschaftler einer 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.
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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.
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.“
Quellen:
- jacobs-university.de136-million-atom-model-scientists-simulate-photosynthesis
- news.illinois.edu/804431
- Abhishek Singharoy, Christopher Maffeo, Karelia H. Delgado-Magnero, David J.K. Swainsbury, Melih Sener, Ulrich Kleinekathöfer, John W. Vant, Jonathan Nguyen, Andrew Hitchcock, Barry Isralewitz, Ivan Teo, Danielle E. Chandler, John E. Stone, James C. Phillips, Taras V. Pogorelov, M. Ilaria Mallus, Christophe Chipot, Zaida Luthey-Schulten, D. Peter Tieleman, C. Neil Hunter 13, Emad Tajkhorshid, Aleksei Aksimentiev, Klaus Schulten: Atoms to Phenotypes: Molecular Design Principles of Cellular Energy Metabolism, in: Cell, Article, Volume 179, ISSUE 5, P1098-1111.e – DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.021
- bionano.physics.illinois.edu/node/308
- ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31730852
- bionano.physics.illinois.edu/people/christopher-maffeo
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