- 科學家開發出完整的四維光合作用微生物模型。
- 該模型追蹤細菌的三維組織及內部活動隨時間變化。
- 細胞內蛋白質的空間組織影響分子相互作用的可靠性。
- 這項研究可能指導未來的細胞研究。
科學家已經開發出首個完整的四維光合作用微生物模型，顯示整個細胞如何適應變化。該模型追蹤細菌的三維組織以及隨時間推移其內部所發生的活動，提供細胞如何協調內部過程以應對光照變化的詳細視圖。這項研究由太平洋西北國家實驗室（PNNL）和伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的科學家進行，重點關注小型海洋細菌 Prochlorococcus marinus MED4，該細菌利用陽光生成能量，是海洋生態系統和全球碳循環中的重要角色。
PNNL 的計算科學家及通訊作者瑪格麗特·張表示：「這項研究使我們能夠詳細瞭解整個光合作用細胞如何反應。」研究團隊使用冷凍電子斷層掃描影像、時間序列數據、物理模型及高性能計算，整合有關細胞的空間組織如何與基因、蛋白質及代謝過程的變化相關的資訊。這使團隊得以觀察細胞不同部分之間的相互作用。
四維模型的創新
該模型包括時間的第四維度，以顯示當微生物在光與暗之間轉換時，細胞內部活動如何變化。團隊考察了從黑暗轉變為光明再轉回黑暗的培養物，還有在恆定光照或黑暗中的培養物。這有助於科學家理解細胞如何對環境條件的變化作出反應，以及微生物的生物鐘對其影響的程度。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的化學教授及通訊作者贊·盧瑟-施爾滕指出：「協調測量使我們能夠測試模型。」
研究顯示，細胞內蛋白質及其他結構的空間組織可以影響分子相互作用的可靠性。這些結構的位置有助於減少活動中的隨機變化，這意味著細胞的物理組織與其化學調控之間存在著強烈的聯繫。
細胞內部活動的影響
例如，CP12 蛋白通過與參與碳固定過程的兩種酶結合來調節碳固定，在黑暗中形成一個稱為「暗復合體」的非活性複合物。這意味著在黑暗中，這些酶無法進行碳固定。當光線可用時，CP12 和酶發生變化，導致複合物解體，釋放酶以重新開始碳固定。這一過程的速度甚至快於細胞製造新蛋白質的速度，意味著細菌能迅速對環境條件的變化作出反應。
這項研究發表於《生物物理學期刊》，並得到能源部生物準備研究虛擬環境計劃的支持。部分研究在環境分子科學實驗室（EMSL）進行。計算資源則由 2024 年高級科學計算研究領導計算挑戰獎和 EMSL 的 Tahoma 高性能計算系統提供。通過同時觀察細胞的物理結構及隨時間的活動，這個模型有助於科學家理解光合作用微生物如何應對環境條件的變化。
這一技術可能為科學家提供工具，以瞭解其他細胞如何調控複雜過程，並將分子活動與整個活系統聯繫起來。這可能有助於指導未來的細胞研究。
四維模型對生物研究的潛在影響
這項研究的四維模型提供了對光合作用微生物反應的深刻見解，尤其是在環境變化下的適應能力。通過結合時間維度，科學家能夠更全面地理解細胞內部的動態過程，這對於探索其他生物系統的調控機制具有重要意義。隨著技術的進步，這種模型可能成為未來研究的基礎，幫助科學家揭示複雜的生物過程，進而推動生物技術和環境科學的發展。