ArticleAtoms to Phenotypes : Molecular Design Principles of Cellular Energy Metabolism

Nous rapportons un modèle à l’échelle de 100 millions d’atomes d’un organite cellulaire entier, une vésicule chromatophore photosynthétique d’une bactérie pourpre, qui révèle la cascade d’étapes de conversion énergétique aboutissant à la génération d’ATP à partir de la lumière du soleil. Les simulations de dynamique moléculaire de cette vésicule permettent de comprendre comment les complexes membranaires intégraux influencent la courbure locale pour régler la photoexcitation des pigments. La dynamique brownienne de petites molécules à l’intérieur du chromatophore permet de sonder les mécanismes de transport de charge directionnel dans diverses conditions de pH et de salinité. Reproduisant les propriétés phénotypiques à partir de détails atomistiques, un modèle cinétique montre que les adaptations de la bactérie à la lumière faible sont le résultat spontané de l’optimisation de l’équilibre entre l’intégrité structurelle du chromatophore et la conversion énergétique robuste. Des parallèles sont établis avec la machinerie bioénergétique mitochondriale, plus universelle, d’où sont déduites des idées à l’échelle moléculaire sur le mécanisme du vieillissement cellulaire. Ensemble, notre méthode intégrative et nos expériences spectroscopiques ouvrent la voie à la modélisation des premiers principes des cellules vivantes entières.