A pesar de la gran diversidad entre los organismos vivos, la molécula utilizada para almacenar y transmitir energía dentro de las células aeróbicas o que usan oxígeno es notablemente la misma. Desde bacterias hasta hongos, plantas y animales, el trifosfato de adenosina ATP sirve como elEnergía universal, moneda de vida, que alimenta los procesos que las células necesitan para sobrevivir y funcionar.
En el transcurso de un día, un individuo generalmente usará el equivalente de su peso corporal en ATP; sin embargo, el cuerpo humano transporta solo una pequeña cantidad de la molécula en cualquier momento. Eso significa que las células deben reciclarse o reponerse constantementesu capacidad limitada, confiando en un motor molecular altamente eficiente llamado ATP sintasa para hacer el trabajo.
Como parte de un proyecto dedicado a modelar cómo las bacterias púrpuras unicelulares convierten la luz en alimento, un equipo de científicos computacionales de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign UIUC simuló una ATP sintasa completa en detalle de todos los átomos.El trabajo se basa en la primera fase del proyecto, un orgánulo fotosintético de 100 millones de átomos llamado cromatóforo, y ofrece a los científicos una visión sin precedentes de una máquina biológica cuya eficiencia energética supera con creces la de cualquier sistema artificial.
Propuesto por primera vez bajo el liderazgo del fallecido Klaus Schulten, pionero en el campo de la biofísica computacional y fundador del Grupo de Biofísica Teórica y Computacional en UIUC, la investigación ha progresado bajo la dirección de Abhishek Singharoy, investigador co-principal ybecario postdoctoral de la National Science Foundation en el Centro para la Física de las Células Vivas de la UIUC.
Además de Singharoy, el equipo incluye miembros de los grupos de profesores de UIUC Emad Tajkhorshid, Zaida Luthey-Schulten y Aleksei Aksimentiev; el científico investigador Melih Sener; y los desarrolladores Barry Isralewitz, Jim Phillips y John Stone. Colaborador experimental Neil Hunter dela Universidad de Sheffield en Inglaterra también participó en el proyecto.
El equipo liderado por UIUC construyó y probó su megamodelo bajo una asignación de varios años otorgada a través del programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment en la supercomputadora Titan, un Cray XK7 administrado por el Oak del Departamento de Energía de EE. UU. DOERidge Leadership Computing Facility OLCF, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE.
Utilizando Titan, el equipo produjo una herramienta virtual que puede predecir con gran detalle la producción de energía química de un sistema fotosintético en función de la cantidad de luz solar absorbida. La investigación algún día podría contribuir a la tecnología avanzada de energía limpia que incorpora conceptos biológicos.
"La naturaleza ha diseñado el cromatóforo de tal manera que puede generar suficientes ATP para que estas bacterias sobrevivan en ambientes con poca luz como el fondo de estanques y lagos", dijo Singharoy. "Nuestro trabajo capturó este proceso de conversión de energía endetalle de todos los átomos y nos permitió predecir su eficiencia "
luz en movimiento
A menudo conocida como la planta de energía de la célula, la ATP sintasa es una enzima compleja que acelera la síntesis de sus precursores moleculares, difosfato de adenosina ADP y fosfato. Incrustado dentro de la membrana interna y externa del cromatóforo, el motor enzimático consistede tres partes principales: un rotor impulsado por iones, un tallo central y un anillo de proteínas.
Similar a una rueda hidráulica que gira por la fuerza de una corriente que fluye, el rotor de sintasa ATP aprovecha el movimiento estimulado electroquímicamente de los iones, como los protones o el sodio, de alta concentración a baja concentración a través de la membrana. La energía mecánica resultante se transfiere ael tallo central, que ayuda al anillo de proteínas a sintetizar ATP.
Sorprendentemente, el proceso funciona igual de bien a la inversa. Cuando se acumulan demasiados iones en el lado externo del cromatóforo, el anillo de proteína ATP sintasa descompondrá ATP en ADP, un proceso llamado hidrólisis, y los iones fluirán de regreso ael lado interno
"Normalmente, esperaría una gran pérdida de energía durante este proceso, como en cualquier motor artificial, pero resulta que la ATP sintasa tiene muy poco desperdicio", dijo Singharoy. "Cómo este motor está diseñado para minimizar la pérdida de energíaes la pregunta que empezamos a hacer "
Al igual que un ingeniero que desarma un motor para comprender mejor cómo funciona, el equipo de Singharoy descompuso la enzima de 300,000 átomos en sus partes constituyentes. Aprovechando décadas de investigación en ATP sintasa, modelos pasados y nuevos datos experimentales suministrados por un japonésliderado por Takeshi Murata del Centro RIKEN para Tecnologías de Ciencias de la Vida, el equipo construyó y simuló las piezas del rompecabezas de la ATP sintasa de forma independiente y en conjunto en Titán
Para capturar procesos importantes que se desarrollan en escalas de tiempo de milisegundos, Singharoy, en colaboración con Christophe Chipot del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia y Mahmoud Moradi de la Universidad de Arkansas, implementó el código de dinámica molecular NAMD estratégicamente. El equipo ejecutó unestrategia de conjunto, rastreando el movimiento de alrededor de 1,000 réplicas de ATP sintasa simultáneamente con pasos de tiempo de 2 femtosegundos, o 2,000 billonésimas de segundo. En total, el equipo acumuló 65 microsegundos 65 millonésimas de segundo de tiempo de simulación, utilizando esta informaciónpara extrapolar los movimientos que ocurren en el transcurso de un milisegundo 1 milésima de segundo.
Como resultado, el equipo identificó movimientos de giro previamente indocumentados en el anillo de proteínas que ayudan a explicar la eficiencia del motor molecular. Del mismo modo, las simulaciones del equipo capturaron la elasticidad similar a una banda elástica del tallo central de la enzima. El equipo de Singharoy estimó que cuando se combinaba conEn el anillo de proteínas, el tallo absorbe alrededor del 75 por ciento de la energía liberada durante la hidrólisis.
Además, las simulaciones del anillo de proteína por sí solo revelaron una unidad que puede funcionar de forma independiente, un hallazgo reportado en experimentos pero no en detalle computacional. "Incluso en ausencia del tallo central, el anillo de proteína en sí es capaz de hidrólisis de ATP.No es muy eficiente, pero tiene la capacidad ", dijo Singharoy.
El panorama general
Después de simular su modelo completo de ATP sintasa, el equipo de UIUC incorporó la enzima en su modelo de cromatóforo previamente construido para obtener la imagen más completa de un sistema fotosintético hasta la fecha.
Con este panel solar biológico virtual, el equipo podría medir cada paso del proceso de conversión de energía, desde la recolección de luz, la transferencia de electrones y protones, hasta la síntesis de ATP, y comprender mejor sus bases mecánicas.
El cromatóforo de la naturaleza está diseñado para baja intensidad de luz, solo absorbe entre 3 y 5 por ciento de la luz solar en un día típico. El equipo, gracias a los esfuerzos de Sener, descubrió que esta tasa de absorción se traduce en alrededor de 300 ATP por segundo, que es elcantidad que necesita una bacteria para mantenerse viva.
Habiendo estudiado el diseño de la naturaleza, el equipo ahora quería ver si podía mejorarlo. Suponiendo la misma cantidad de intensidad de luz, el equipo diseñó un cromatóforo artificial con una composición proteica decididamente antinatural, aumentando la presencia de dos tipos de proteínas especializadasEl análisis del nuevo diseño predijo una triplicación de la producción de ATP del sistema fotosintético, abriendo la posibilidad de la optimización guiada por humanos del cromatóforo.
"Podría modificar genéticamente un cromatóforo o cambiar su concentración de proteínas", dijo Singharoy. "Estas predicciones prometen traer nuevos desarrollos en la fotosíntesis artificial".
Bajo su última asignación INCITE, el equipo de UIUC está girando hacia la conversión de energía en una forma de vida diferente: los animales. Tomando lo que aprendió al modelar la fotosíntesis en bacterias moradas, el equipo está modelando la respiración celular, el proceso que las células animales utilizan para convertir nutrientesa ATP.
"Tiene al menos dos proteínas en común entre la respiración y la fotosíntesis", dijo Singharoy, quien continúa su participación en el proyecto como profesor asistente en la Universidad Estatal de Arizona. "La pregunta es ¿qué principios de diseño se trasladan a los organismos superiores?"
Vida in situ
La simulación del cromatóforo, completa con ATP sintasa, marca un cambio continuo en la biofísica computacional desde el análisis de partes celulares individuales por ejemplo, proteínas individuales y cientos de átomos hasta el análisis de sistemas celulares completos por ejemplo, cientos de proteínas y millones deátomos.
Schulten, quien falleció en octubre de 2016, entendió mejor que la mayoría de las personas la importancia de usar computadoras para simular la naturaleza. En una entrevista en 2015, expuso sus razones para modelar el cromatóforo ". La motivación es entender una clave muy importante".paso de la vida en la Tierra del que depende toda la vida hoy. En términos energéticos, el 95 por ciento de la vida en la Tierra depende de la fotosíntesis, incluidos los humanos ", dijo.
Schulten también entendió el hito que un organelo especializado representó en el camino hacia la simulación de un organismo unicelular completo. "No tenemos nada más pequeño que una célula que llamaríamos vivo", dijo. "Es la entidad viviente más pequeña, y queremos entenderlo "
Con las supercomputadoras de próxima generación, incluida la Cumbre de OLCF, que se pondrá en línea en 2018, el grupo de investigación que Schulten fundó en 1989 se está preparando para asumir el gran desafío de simular una célula.
Bajo el liderazgo de Tajkhorshid, el equipo planea simular la primera célula de mil millones de átomos, incluidos los componentes básicos que una célula necesita para sobrevivir y crecer. Las mejoras a NAMD y el trabajo que se realiza bajo el programa Centro de Preparación Acelerada de Aplicaciones de la OLCF están ayudandopara hacer realidad la visión de Schulten y otros.
"Seguimos avanzando", dijo Singharoy. "Nuestro estudio exhaustivo de un orgánulo completo en detalle de todos los átomos ha abierto la puerta a una celda llena en detalle de todos los átomos".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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