Simulierte Photosynthese

Die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie ist für das Leben uner­lässlich. In einer der größten Simulationen eines Biosystems weltweit haben Wissen­schaftler diesen komplexen Prozess an einem Bestandteil eines Bakteriums nachgeahmt – am Computer, Atom um Atom. Die Arbeit ist ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Photo­synthese in einigen biologischen Strukturen. An der inter­nationalen Forschungs­kooperation unter Leitung der University of Illinois war auch ein Team der Jacobs University Bremen beteiligt.

Das Projekt geht zurück auf eine Initiative des inzwischen verstorbenen, deutsch-US-amerikanischen Physik­professors Klaus Schulten von der University of Illinois, der daran forschte, atomare Wechselwirkungen lebender Systeme zu verstehen und darzustellen. Seine Arbeitsgruppe modellierte das Chromatophor, so heißt ein Licht absor­bierender Teil einer Zelle, das chemische Energie in Form von Adenosin­triphosphat (ATP) ausschüttet. Diese Chromatophoren findet sich in pflanzlichen Zellen aber auch in manchen Bakterien. „Sie wirken wie eine Solarzelle der Zelle. Mit ihren Antennen­komplexen nehmen sie das Licht auf und schütten Energie in Form von ATP für alle anderen Aktivitäten der Zelle wieder aus“, sagt Ulrich Kleine­kathöfer. Der Professor für theoretische Physik an der Jacobs University hat gemeinsam mit seiner Doktorandin Ilaria Mallus an dem Projekt mitgewirkt. Auf Basis der Daten der amerikanischen Kollegen führten sie quanten­mechanische Berechnungen für das Modell durch.

Um herauszufinden, wie dieses System funktioniert, sezierte die Forscher­gruppe das Chromatophor mit großem Aufwand, von Laborexperimenten über Rasterkraft­mikroskopie bis hin zu Computer­simulationen. Alle Teile wurden in dem 136 Millionen Atome umfassenden Modell, das sich wie sein Gegenstück in der Natur verhält, wieder zusammengesetzt. Möglich war das nur mithilfe von enorm leistungs­fähigen Supercomputern. „Standard­simulationen arbeiten mit etwa 100.000 Atomen, dieses Modell ist um einen Faktor 1.000 größer, es ist ein Vorstoß in neue Dimensionen“ sagt Kleine­kathöfer.

Bislang konnten Forscher normaler­weise nur einzelne Proteine simulieren. Das Modell zeigt das Wechselspiel sehr vieler Proteine über die gesamte Prozesskette, von der Licht­absorption bis zur Herstellung von ATP. „Irgendwann werden wir es schaffen ein ganzes Bakterium oder eine ganze Zelle zu simulieren“, glaubt Kleine­kathöfer. „Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung auf dieses Ziel.“

Jacobs U. Bremen / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Singharoy et al.: Atoms to Phenotypes: Molecular Design Principles of Cellular Energy Metabolism, Cell 179, 1098 (2019); DOI: 10.1016/j.cell.2019.10.021
• Computational Physics and Biophysics Group (U. Kleinkathöfer), Jacobs University Bremen
• Dept. of Physics, NSF Center for the Physics of Living Cells, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, USA