PNNL и Иллинойс построили первую 4D-модель целой клетки фотосинтезирующей бактерии Prochlorococcus MED4
Исследователи объединили криоэлектронную томографию, временные ряды данных и симуляции в модель клетки, живущей на свету. Она показывает, как микроб сохраняет стабильную работу при смене освещения.
Группа под руководством Маргарет Чунг, специалиста по вычислительной науке из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL), совместно с Университетом Иллинойса в Урбане-Шампейне построила первую четырёхмерную модель целой клетки фотосинтезирующей бактерии. Работа опубликована в Biophysical Journal, сообщается в релизе на newswise.com newswise.com
newswise.comnewswise.comОткрыть источник ↗. Объект исследования — бактерия Prochlorococcus marinus MED4, которая использует солнечный свет как источник энергии.
Модель связывает трёхмерную структуру клетки с изменениями активности генов, белков и метаболизма во времени. По словам авторов, она может помочь в создании компьютерных симуляций, планировании лабораторных экспериментов и сокращении части проб и ошибок при разработке микробов для биотехнологий.
Как построена модель
Для определения положения внутренних структур команда использовала криоэлектронную томографию, которая даёт трёхмерные изображения замороженных клеток. По снимкам были нанесены на карту структуры, отвечающие за улавливание света, синтез белков и фиксацию углерода.
Кроме того, исследователи собрали согласованные временные ряды измерений активности генов и белков в совпадающие моменты времени. Культуры MED4 изучали при переходе от темноты к свету и от света к темноте. Также исследовали культуры, остававшиеся в темноте или на свету, что позволило отделить непосредственную реакцию на свет от изменений, управляемых внутренними часами клетки newswise.com
newswise.comnewswise.comОткрыть источник ↗.
Данные визуализации и временных рядов объединили с физическими симуляциями молекулярной активности по всей клетке. Симуляции выполнялись на крупных вычислительных ресурсах. Авторы заявляют, что модель и набор данных можно расширять и адаптировать для других фотосинтезирующих микробов.
Переключатель CP12 и стабильность
Исследование выявило важную роль CP12 — небольшого белка, помогающего регулировать фиксацию углерода, то есть превращение углекислого газа в углеродсодержащие молекулы, необходимые для роста. В темноте CP12 соединяется с двумя ферментами фиксации углерода, образуя «тёмный комплекс», который удерживает ферменты в неактивном состоянии.
Когда свет возвращается, химические изменения CP12 и ферментов приводят к распаду комплекса, ферменты высвобождаются, и клетка возобновляет производство молекул для роста. Поскольку переключатель действует на уже имеющиеся ферменты, он регулирует фиксацию углерода быстрее, чем процессы, требующие изменения активности генов и синтеза новых белков newswise.com
newswise.comnewswise.comОткрыть источник ↗.
Модель также показала, что расположение белков и структур внутри клетки снижает влияние случайных колебаний молекулярной активности. По словам авторов, эти механизмы вместе позволяют микробу реагировать на смену освещения и сохранять стабильность клеточных функций.
«Модели целой клетки зависят от экспериментальных измерений, показывающих, что клетка делает во времени», — заявил Зан Лутей-Шультен, профессор химии Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и автор для корреспонденции. В релизе отмечается, что модель может быть полезна для будущих исследований в биотехнологии, синтетической биологии и биопроизводстве.
