Американские биологи создали компьютерную модель фотосинтеза

Учёные из университета Иллинойса (University of Illinois at Urbana-Champaign — UIUC) создали первую компьютерную модель растения, которое даёт больше листьев и плодов без внесения дополнительного количества удобрений. Такое стало возможным благодаря созданию модели эволюционного процесса.

С помощью фотосинтеза растения фитопланктон и некоторые бактерии преобразуют энергию солнца в химическую энергию своих клеток. Бóльшая часть это процесса у растений происходит в листьях. При этом идёт целая цепь реакций с участием десятков белков-ферментов и других химических компонентов.

Компьютерная модель учёных имитирует все этапы процесса фотосинтеза. И хотя исследователи потратили на её создание уйму времени и средств, такой результат получить значительно легче и дешевле, чем если бы пришлось изучать влияние каждого белка в отдельности в реальном листе.

«Кроме того, теперь, когда процесс фотосинтеза у нас есть в виде некой программы, мы можем протестировать любые его вариации в самых разных условиях окружающей среды», — говорит Стивен Лонг (Steven Long), профессор биологии растений и растениеводства в UIUC.

Чтобы провести все расчёты, биологам понадобились мощные ресурсы, и они обратились в Национальный центр суперкомпьютерных вычислений и интенсивных прикладных программ (National Center for Supercomputing Applications — NCSA).

Как сказано в пресс-релизе UIUC, сначала учёные просчитали относительное количество каждого из протеинов, вовлечённых в фотосинтез, потом создали массив связанных дифференциальных уравнений, каждое из которых может описать один шаг процесса.

Затем они модифицировали модель так, чтобы она максимально точно совпадала с реальным процессом (происходящим в листьях живых растений под влиянием внешних условий).

Далее учёные запрограммировали модель на беспорядочное варьирование количества тех или иных ферментов в процессе фотосинтеза (в предположении, что количество поступающего в организм растения азота стабильно). И заставили программу добиться от смоделированного растения максимальной урожайности.

Если считать, что эволюция — это отбор желаемых качеств, то можно сказать, что учёные «эволюционировали» растение до практически вдвое большей продуктивности (поэтапно компьютерная модель отобрала несколько белков, повышенное содержание которых привело к такому результату).

Эти данные сравнили с результатами предыдущих исследований трансгенных растений с повышенной урожайностью и обнаружили соответствие содержания белков в реальных тканях и в модели, что подтвердило её правильность.

Дополнительные сведения об этом необычном эксперименте вы найдёте в статье, опубликованной в журнале Plant Physiology.