تولید موتور فتوسنتز باکتریایی توسط دانشمندان

دانشمندان دانشگاه ایلینویز در باربارا-شمپین موفق به ارائه مدلی از نوعی باکتری فتوسنتزکننده شدند که در عمق آب‌ها زندگی می‌کند.  

به گزارش سرویس علمی ایسنا، تقریبا تمامی حیات بر روی زمین به فتوسنتز وابسته است و این عمل شامل فرآیند تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی است.

گیاهان تولیدکننده اکسیژن و سیانوباکتری‌ها چنین فرآیندی را 2.7 میلیارد سال پیش آغاز کردند اما نخستین ارگانیسم‌های فتوسنتزکننده احتمالا باکتری‌های بنفش تک‌سلولی بوده‌اند که حدود 3.4 میلیارد سال پیش جذب نور مادون‌قرمز نزدیک را آغاز کرده و آن‌ را به سولفور یا سولفات تبدیل کردند.

باکتری‌های بنفش که در عمق دریاچه‌ها و چشمه‌ها یافت می‌شوند دارای ارگان‌های فتوسنتز ساده‌تری (زیرواحدهای متخصص موسوم به chromatophore ) در مقایسه با گیاهان و جلبک‌ها هستند. دانشمندان دانشگاه ایلینویز، مولفه chromatophore را برای بررسی فتوسنتز در سطح اتمی مطالعه کردند.

آن‌ها داده‌های آزمایشگاهی زیست‌شناسان را با قوانین فیزیک حاکم بر رفتار ماده ترکیب کردند. این ترکیب به محققان امکان شبیه‌سازی مولکول‌های زیستی را با استفاده از ابررایانه‌ها و به صورت اتم‌ به اتم فراهم کرد.

این شبیه‌سازی‌ها تعاملات بین مولکول‌هایی را آشکارسازی می‌کنند که در آزمایشگاه غیرممکن است و بنابراین توضیحات قابل‌توجیهی برای چگونگی عملکردهای زیستی مولکول‌ها در طبیعت ارائه می‌دهند.

دانشمندان از ابررایانه تیتان متعلق به آزمایشگاه ملی اوک ریج در وزارت انرژی امریکا برای تولید و شبیه‌سازی یک chromatophore منفرد استفاده کردند. این سازه توپ‌مانند حاوی بیش از 100 میلیون اتم است و تیتان به دانشمندان سطحی عالی از محاسبات مورد نیاز را ارائه داد.

شبیه‌سازی تیم علمی برای درک فرایند بنیادی فتوسنتز به کار می‌رود و این تحقیق روزی می‌تواند به ارائه فناوری انرژی بهتری بینجامد.

پروژه chromatophore همچنین تغییری در فیزیک زیستی محاسباتی از تحلیل اجزای سلول منفرد (به طور مثال یک پروتئین منفرد) تا تحلیل سیستم‌های متخص سلول ایجاد می‌کند. این موضوع، گامی مهم به سمت هدف بلندمدت شبیه‌سازی یک موجود زنده کامل به شمار می‌آید.

زمانی که باکتری بنفش‌رنگ Rhodobacter sphaeroides در حالت فتوسنتز قرار می‌گیرد، غشای درونی آن شروع به تغییر می‌کند و به شکل ریزکیسه‌های گرد و کوچکی در می‌آید که دارای نوعی ماشین برداشت‌کننده نور است.

تیم علمی از داده‌های جمع‌آوری‌شده آزمایشگاهی، میکروسکوپ نیروی اتمی و نوعی کد دینامیک مولکولی ویژه برای تولید و محاسبه نیروهای میلیون‌ها اتم متعلق به chromatophore کروی استفاده کرد.

مدل chromatophore نهایی ارائه‌شده توسط محققان دارای عرض 70 نانومتر و حاوی 16 هزار لیپید و 101 پروتئین است. برای اطمینان از تقلیدکردن آن از طبیعت، chromatophore در مکعبی 100 نانومتری از آب و در دما و فشار اتاق قرار گرفت.

با داشتن این مدل جدید، فرآیندهای قابل‌توجه chromatophore کامل را می‌توان با جزئیات بی‌سابقه بررسی کرد.

ترکیب‌کردن نرم‌افزار و سخت‌افزار به تیم علمی امکان ارائه مدل جدید از chromatophore را داد و این گروه به تلاش‌های خود در انجام شبیه‌سازی‌ها و تحلیل‌ها برای بدست‌آوردن ویژگی‌های قابل‌توجه این مدل از جمله سطوح تراکم نمک و باز آن ادامه می‌دهد.

جزئیات این دستاورد علمی در مجله Biophysical ارائه شد.

منبع : ایسنا