ArticleAtoms to Phenotypes: Molecular Design Principles of Cellular Energy Metabolism

Wir berichten über ein 100-Millionen-Atom-Modell einer ganzen Zellorganelle, eines photosynthetischen Chromatophorenvesikels aus einem Purpurbakterium, das die Kaskade von Energieumwandlungsschritten zeigt, die in der Erzeugung von ATP aus Sonnenlicht gipfelt. Molekulardynamiksimulationen dieses Vesikels verdeutlichen, wie die integralen Membrankomplexe die lokale Krümmung beeinflussen, um die Photoanregung der Pigmente zu steuern. Die Brownsche Dynamik kleiner Moleküle innerhalb des Chromatophors untersucht die Mechanismen des gerichteten Ladungstransports unter verschiedenen pH- und Salzgehaltsbedingungen. Ein kinetisches Modell, das die phänotypischen Eigenschaften anhand atomistischer Details reproduziert, zeigt, dass die Anpassung des Bakteriums an schwaches Licht ein spontanes Ergebnis der Optimierung des Gleichgewichts zwischen der strukturellen Integrität des Chromatophors und der robusten Energieumwandlung ist. Es werden Parallelen zur universelleren mitochondrialen bioenergetischen Maschinerie gezogen, woraus sich auf molekularer Ebene Erkenntnisse über den Mechanismus der Zellalterung ableiten lassen. Zusammen ebnen unsere integrative Methode und unsere spektroskopischen Experimente den Weg für die Modellierung ganzer lebender Zellen nach ersten Prinzipien.