當(dāng)微生物將糖轉(zhuǎn)化為酒精，氣體或酸時，就會產(chǎn)生葡萄酒，啤酒和酸奶。但是這種發(fā)酵過程 - 由細(xì)菌，真菌和其他快速生長的細(xì)胞用于在沒有氧氣的情況下產(chǎn)生能量 - 對于細(xì)胞產(chǎn)生能量的效率遠(yuǎn)低于有氧呼吸。那么，為什么許多生物使用這種看似浪費(fèi)的策略來產(chǎn)生能量而不是有氧呼吸，即使氧氣很容易獲得?

近一個世紀(jì)以來，生物學(xué)家一直在思考這個難題，并將其稱為諾貝爾獎獲獎細(xì)胞生物學(xué)家Otto Warburg之后的“Warburg效應(yīng)”。他在20世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞通過發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生能量，葡萄糖會產(chǎn)生大量的代謝廢物，如乳酸。

事實(shí)上，通過發(fā)酵大量使用葡萄糖是如何在PET掃描中識別腫瘤的。但如果這個過程效率低下，Warburg和其他人想知道，為什么這么多生物依賴它而不是使用更有效的有氧呼吸過程呢?

來自加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)家和生物學(xué)家團(tuán)隊(duì)可能終于找到了這個近100年歷史的謎團(tuán)的答案。在本周的“ 自然 ”雜志上，研究人員研究了合成大腸桿菌內(nèi)發(fā)酵和有氧呼吸所需的酶和其他生物儀器的代謝成本，以及通過有氧呼吸產(chǎn)生能量的代謝節(jié)省。他們發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)合成的成本超過了快速生長細(xì)胞的代謝節(jié)省。

“我們發(fā)現(xiàn)的可以與煤炭工廠與核電廠產(chǎn)生能量之間的差異進(jìn)行比較，”加州大學(xué)圣地亞哥分校物理與生物學(xué)教授Terry Hwa說。“煤炭工廠的生產(chǎn)能源效率低于核電廠，但建造成本要低得多。因此，決定生產(chǎn)能源的途徑取決于煤炭的可用性和建設(shè)發(fā)電廠的可用預(yù)算“。

“對于細(xì)胞來說，事實(shí)證明還需要考慮兩個成本，”他補(bǔ)充道。“一個是原材料的成本。有氧呼吸每個碳原子比發(fā)酵產(chǎn)生更多的能量。另一個是合成酶的機(jī)會成本。這個成本是指蛋白質(zhì)制造機(jī)器或核糖體需要的數(shù)量。我們發(fā)現(xiàn)，與發(fā)酵相比，呼吸酶體積龐大且速度慢，因此需要合成大量的這些酶，并且需要大量的核糖體，以便在大量的情況下進(jìn)行呼吸。這是一個重要的成本，因?yàn)楹颂求w的數(shù)量是生長的限制因素。“

“對于具有大量營養(yǎng)素的快速生長細(xì)胞，如果使用大量核糖體來制造呼吸酶，那么很少有它們可以制造其他生長蛋白質(zhì)，包括核糖體本身。這會減緩生長并對細(xì)胞不利。由于營養(yǎng)豐富，呼吸的碳效率較高并不是一個重要的考慮因素。另一方面，當(dāng)營養(yǎng)素稀缺且細(xì)胞不能快速生長時，其他細(xì)胞功能對核糖體的需求減少，并且成本增加核糖體不太重要。與此同時，利用呼吸產(chǎn)生能量可以節(jié)約寶貴的碳供應(yīng)，這是營養(yǎng)不良條件下更重要的考慮因素。“

“在產(chǎn)生能量時，電池需要考慮這兩個成本，碳的成本是普遍公認(rèn)的，即呼吸更有效。我們在這項(xiàng)研究中建立的是制造能源發(fā)電設(shè)備的成本是也是實(shí)質(zhì)性的，實(shí)際上是快速生長細(xì)胞的主要成本。“

幾年前，荷蘭的一個理論生物學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次提出了這種機(jī)會成本對細(xì)胞生長的想法。在加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究中，Hwa和他的合作者通過使用蛋白質(zhì)組學(xué)質(zhì)譜法實(shí)驗(yàn)性地表征了合成發(fā)酵與呼吸酶的成本，并發(fā)現(xiàn)呼吸蛋白的價格是發(fā)酵蛋白的兩倍，因?yàn)橄嗤哪芰慨a(chǎn)生率。他們的研究是第一次為任何生命系統(tǒng)建立這樣的成本。研究人員還開發(fā)了一種數(shù)學(xué)模型，可以定量預(yù)測代謝廢物排泄的模式，以響應(yīng)它們用于影響生長細(xì)胞生理狀態(tài)的擾動。

研究人員表示，雖然目前尚不清楚癌癥中“浪費(fèi)新陳代謝”的起源是否存在相同的基本原理，但他們認(rèn)為他們的結(jié)果提供了另一種思考這一過程的方法。

Hwa解釋說：“這可能是快速增長細(xì)胞所必需的通用策略，而不是應(yīng)該修復(fù)的問題。” “結(jié)果也可能對生物技術(shù)產(chǎn)生影響：代謝工程師總是試圖減少工程生物中的代謝廢物，以降低成本。我們的研究結(jié)果表明，減少廢物可能對生物體有害，需要設(shè)計不同的策略來增加新陳代謝。效率。”