通过研究细菌和酵母，麻省理工学院的研究人员发现，截然不同类型的细胞仍然具有基本相似性，跨物种保守并随着时间的推移而得到改善。更具体地说，这些细胞含有相同比例的特殊蛋白质，称为酶，它们协调细胞内的化学反应。

为了生长和分裂，细胞依赖于独特的酶混合物，每秒可进行数百万次化学反应。许多酶在继电器中进行一系列相关的化学反应，称为“通路”，其中一种化学反应的产物是下一种化学反应的起始原料。通过对分子进行许多渐进的改变，通路中的酶发挥重要作用，例如将营养转化为能量或复制DNA。

几十年来，科学家们想知道是否严格控制了一条通路中酶的相对含量，以便更好地协调它们的化学反应。现在，研究人员已经证明细胞不仅产生精确量的酶，而且进化压力选择优选的酶比例。通过这种方式，酶的行为类似于蛋糕的成分，必须以正确的比例组合，并且所有生命可以共享相同的酶配方。

“我们仍然不知道为什么这种酶的组合是理想的，”麻省理工学院生物学助理教授Gene-Wei Li说，“但这个问题开辟了一个全新的生物学领域，我们称之为系统级优化在这个学科中，研究人员将研究不同酶和途径在细胞复杂环境中的行为。“

Li是该研究的高级作者，该研究于3月29日在Cell上发表，并于4月19日出版。该论文的主要作者Jean-BenoîtLalanne是麻省理工学院物理系的研究生。

意外的观察

100多年来，生物学家通过观察酶催化试管中的化学反应来研究酶，并且最近使用X射线观察它们的分子结构。

然而，尽管多年来一直在详细描述单个蛋白质，科学家仍然不了解细胞内酶的许多基本特性。例如，尚不可能预测细胞应该使酶的最佳量以最大化其存活机会。

计算是棘手的，因为答案不仅取决于酶的特定功能，还取决于其作用如何对细胞内的其他化学反应和酶产生连锁反应。

“即使我们确切知道一种酶的作用，”李说，“我们仍然没有意识到细胞会产生多少蛋白质。考虑生物化学途径更加复杂。如果我们给生物化学家三种酶例如，在将糖分解为能量的过程中，他们可能不知道如何以适当的比例混合蛋白质以优化反应。“

包括蛋白质在内的物质相对含量的研究被称为“化学计量学”。为了研究不同类型细胞中酶的化学计量，Li和他的同事们分析了三种不同的细菌 - 大肠杆菌，枯草芽孢杆菌和无菌弧菌 - 以及芽殖酵母酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。在这些细胞中，科学家比较了21种途径中酶的数量，这些途径负责各种任务，包括修复DNA，构建脂肪酸以及将糖转化为能量。因为这些酵母和细菌已经进化到不同的环境中并且具有不同的细胞结构，例如核的存在或缺乏，研究人员惊讶地发现所有四种细胞类型在所有检查的途径中具有几乎相同的酶化学计量。

Li的团队通过详细说明细菌如何实现一致的酶化学计量来跟踪他们意想不到的结果。细胞通过调节两个过程来控制酶的产生。第一种转录将DNA链中包含的信息转换成信使RNA(mRNA)的许多拷贝。第二种翻译是在核糖体解码mRNA以构建蛋白质时发生的。通过分析所有三种细菌物种的转录，Li的团队发现不同的细菌产生不同数量的mRNA编码途径中的酶。

不同量的mRNA理论上会导致蛋白质产生的差异，但研究人员发现细胞调整了它们的翻译速率以补偿转录的变化。产生更多mRNA的细胞减慢了蛋白质合成的速度，而产生较少mRNA的细胞增加了蛋白质合成的速度。由于这种补偿，酶的化学计量在不同的细菌中保持恒定。

“值得注意的是，大肠杆菌和枯草芽孢杆菌需要相同数量的相应蛋白质，正如转录和翻译效率的补偿性变化所见，”瑞典乌普萨拉大学物理生物学教授约翰·埃尔夫说。“这些结果引发了关于不同细胞中酶生成如何演变的有趣问题。”

“检查细菌基因簇确实非常引人注目，”主要作者Lalanne说。“在漫长的进化历史中，这些基因已经移位，突变成不同的序列，并被随机插入基因组的移动DNA片段轰炸。尽管如此，细菌通过调整翻译维持这些变化来补偿这些变化。它们的酶的化学计量学。这表明我们尚不了解的进化力使细胞具有相同的酶化学计量。“

寻找调节人类健康的化学计量

在未来，李和他的同事将测试他们在细菌和酵母中的发现是否延伸到人类。由于单细胞和多细胞生物以不同方式管理能量和营养，并且经历不同的选择压力，研究人员不确定他们将发现什么。

“也许会有一些化学计量学变化的酶，以及一小部分酶的水平更加保守，”李说。“这表明人体对特定酶的变化非常敏感，可以制造出良好的药物目标。但是直到我们看，我们才会知道。”

除了人体之外，李和他的团队相信，有可能在所有细胞中找到复杂的分子喧嚣。像自然界中的其他数学模式一样，例如贝壳的螺旋或树的分支模式，酶的化学计量可能是生活中广泛的设计原则。