ArticleAtoms to Phenotypes: Molecular Design Principles of Cellular Energy Metabolism

We rapporteren een 100-miljoen atoomschaal model van een volledige cel organel, een fotosynthetisch chromatofoor blaasje van een paarse bacterie, dat de cascade van energie conversie stappen onthult die culmineert in de generatie van ATP uit zonlicht. Moleculaire dynamica simulaties van dit blaasje verduidelijken hoe de integrale membraancomplexen de lokale kromming beïnvloeden om de fotoexcitatie van pigmenten te regelen. Brownse dynamica van kleine moleculen binnen de chromatofoor onderzoeken de mechanismen van directioneel ladingstransport onder verschillende pH- en saliniteitscondities. Een kinetisch model reproduceert fenotypische eigenschappen aan de hand van atomaire details en toont aan dat aanpassingen van de bacterie aan lage lichtintensiteit ontstaan als een spontaan resultaat van het optimaliseren van de balans tussen structurele integriteit van de chromatofoor en robuuste energie-omzetting. Er worden parallellen getrokken met de meer universele mitochondriale bio-energetische machinerie, waaruit inzichten op moleculaire schaal in het mechanisme van cellulaire veroudering worden afgeleid. Samen effenen onze integratieve methode en spectroscopische experimenten de weg naar eerste-principes modellering van hele levende cellen.