能源危機(jī)可能引發(fā)多年的燃料短缺和高油價(jià)。生物細(xì)胞的能量短缺甚至更嚴(yán)重。后果包括肌萎縮側(cè)索硬化和老化相關(guān)疾病，如阿爾茨海默氏癥和帕金森病。

植物中的活細(xì)胞采用所謂的生物能量學(xué)機(jī)器 - 一系列相互關(guān)聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)，將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為能量。高等生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)素的作用相同。當(dāng)細(xì)胞變老時(shí)，它們會(huì)失去能量。

“老化是能量泄漏的直接表現(xiàn)，能量泄漏經(jīng)常通過(guò)活性氧物質(zhì)的形成而發(fā)生，”亞利桑那州立大學(xué)分子科學(xué)助理教授Abhishek Singharoy說(shuō)。

Singharoy研究了兩種相關(guān)的生物能量過(guò)程，在綠色能源和生物醫(yī)學(xué)方面具有不同的潛在應(yīng)用。他的工作在Oak Ridge領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算設(shè)施(OLCF)的Titan超級(jí)計(jì)算機(jī)上得到了2億個(gè)處理器小時(shí)的支持，這是一個(gè)能源部(DOE)科學(xué)辦公室用戶(hù)設(shè)施。該分配是DOE的INCITE計(jì)劃(創(chuàng)新和新穎的理論和實(shí)驗(yàn)的計(jì)算影響)的一部分。

Singharoy及其同事專(zhuān)注于紫色細(xì)菌Rhodobacter sphaeroides，這是一種原型系統(tǒng)，可以為高等生物細(xì)胞呼吸中的光合作用或能量轉(zhuǎn)換提供設(shè)計(jì)原則。它也是計(jì)算和實(shí)驗(yàn)伴隨研究的理想模型。

“蛋白質(zhì)通常不能培養(yǎng)維持能量，”Singharoy說(shuō)，但紫色細(xì)菌的例外情況是例外。通過(guò)“訓(xùn)練”，他意味著它的蛋白質(zhì)已經(jīng)進(jìn)化合作以保留它們收集的一些太陽(yáng)能，將其轉(zhuǎn)化為三磷酸腺苷(ATP)，這是一種對(duì)所有生物有重要作用的儲(chǔ)能分子。

Singharoy說(shuō)，“這些生物能量蛋白質(zhì)是藥物設(shè)計(jì)中非常熱的分子靶點(diǎn)”。例如，瘧疾寄生蟲(chóng)與紫色細(xì)菌共享蛋白質(zhì)。一種名為atovoquone的藥物可以通過(guò)阻斷線粒體呼吸過(guò)程中蛋白質(zhì)的活性來(lái)阻止瘧疾 - 這是從營(yíng)養(yǎng)物中提取ATP的細(xì)胞中的化學(xué)步驟。

Singharoy還希望利用自然來(lái)設(shè)計(jì)收獲太陽(yáng)能的設(shè)備。研究人員通常不會(huì)在單分子水平上觀察到蛋白質(zhì)的能量維持能力。盡管如此，Singharoy發(fā)現(xiàn)了一種強(qiáng)大的蛋白質(zhì)熟練能力，可以在細(xì)胞膜中儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化能量。例如，他從他的模擬中學(xué)到，蛋白質(zhì)在彎曲的膜上比在平膜上吸收陽(yáng)光的方式更有效 - 更有效。“膜的曲率的潛在機(jī)制是什么?它正在訓(xùn)練蛋白質(zhì)以某種方式吸收陽(yáng)光。這是非常令人驚訝的。”

現(xiàn)在，Singharoy和他的同事正在準(zhǔn)備公布第一次模擬紫色細(xì)菌的整個(gè)色譜 - 其1億個(gè)原子亞細(xì)胞光合作用裝置的結(jié)果，這種情況正在變得越來(lái)越普遍。

在這十年早些時(shí)候，千萬(wàn)億次計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)(每秒能夠進(jìn)行1015次計(jì)算)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的模擬，這些模擬可以處理和分析足夠大的數(shù)據(jù)以填充數(shù)百萬(wàn)個(gè)光盤(pán)。他們揭示了數(shù)百種蛋白質(zhì)如何在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中整合其功能，以及它們?nèi)绾螌⒐廪D(zhuǎn)換為ATP和其他能量形式。Singharoy和他的同事們現(xiàn)在更好地了解紫色細(xì)菌的色素如何將光能轉(zhuǎn)化為電能，然后轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

研究人員報(bào)告了過(guò)去兩年這一多步驟過(guò)程中的主要發(fā)現(xiàn)，首先是2016年8月在伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校(UIUC)的主要作者M(jìn)elih Sener的Elife雜志上的概述。他們?cè)?ldquo;美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志”的兩篇2016年論文中描述了該系統(tǒng)的電氣和機(jī)械特性。2018年“美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”與印第安納大學(xué)的Amar Flood報(bào)道的一些生物學(xué)思想是人造分子馬達(dá)的基礎(chǔ)。這些是生物學(xué)啟發(fā)的設(shè)備，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，在納米級(jí)軌道上進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

Singharoy去年1月加入了亞利桑那州立大學(xué)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)廣泛的合作者網(wǎng)絡(luò)來(lái)推動(dòng)他的研究。他們包括Sener，ASU的Petra Fromme和英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的Neil Hunter，他們負(fù)責(zé)調(diào)查驗(yàn)證計(jì)算預(yù)測(cè)。Sener和Hunter是美國(guó)能源部支持的圣路易斯華盛頓大學(xué)光合天線研究中心的成員，在那里進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

在ASU，Singharoy隸屬于美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的Bio-XFEL科學(xué)技術(shù)中心，研究人員使用X射線自由電子激光器觀察生物機(jī)器的工作情況。“來(lái)自該中心的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接進(jìn)入我的建模，”他說(shuō)。一系列實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生了這些信息，包括電子顯微鏡(他的研究的另一個(gè)推動(dòng)力)，X射線晶體學(xué)和質(zhì)譜。

Singharoy還積極參與由國(guó)家衛(wèi)生研究院支持的基于UIUC的大分子模擬和生物信息學(xué)中心。該中心是UIUC理論和生物物理學(xué)小組的總部，由已故分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬的創(chuàng)始人Klaus Schulten建立。MD將牛頓運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用于原子和分子。Singharoy于2013年加入Schulten的研究小組，擔(dān)任貝克曼研究員。

Schhaten對(duì)一些蛋白質(zhì)儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化能量的能力著迷，Singharoy說(shuō)，其中大多數(shù)都不是為了做到這一點(diǎn)。光合作用和呼吸蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)具有這種能力，但只有幾毫秒 - 足以使蛋白質(zhì)將能量從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。自2016年后者去世以來(lái)，Singharoy繼續(xù)沿著Schulten的道路前行。

Schulten領(lǐng)導(dǎo)了研究人員在全球采用的兩個(gè)關(guān)鍵工具的開(kāi)發(fā)：NAMD(納米級(jí)分子動(dòng)力學(xué))和VMD(視覺(jué)分子動(dòng)力學(xué))。通過(guò)UIUC的Emad Tajkhorshid領(lǐng)導(dǎo)的這些工具的持續(xù)開(kāi)發(fā)，Singharoy及其同事利用了Titan的并行處理能力。其圖形處理單元(GPU)對(duì)兩種封裝的成功至關(guān)重要。

實(shí)際上，Singharoy將Schulten用于軟件開(kāi)發(fā)的互補(bǔ)愿景和OLCF科學(xué)總監(jiān)Jack Wells認(rèn)為是Titan硬件開(kāi)發(fā)的“我們的主要成功來(lái)自超級(jí)計(jì)算的原因”。