研究人员揭开了为什么细胞使用发酵的古老神秘面纱

当微生物将糖转化为酒精，气体或酸时，就会产生葡萄酒，啤酒和酸奶。但是这种发酵过程 - 由细菌，真菌和其他快速生长的细胞用于在没有氧气的情况下产生能量 - 对于细胞产生能量的效率远低于有氧呼吸。那么，为什么许多生物使用这种看似浪费的策略来产生能量而不是有氧呼吸，即使氧气很容易获得?

近一个世纪以来，生物学家一直在思考这个难题，并将其称为诺贝尔奖获奖细胞生物学家Otto Warburg之后的“Warburg效应”。他在20世纪20年代发现癌细胞通过发酵葡萄糖产生能量，葡萄糖会产生大量的代谢废物，如乳酸。

事实上，通过发酵大量使用葡萄糖是如何在PET扫描中识别肿瘤的。但如果这个过程效率低下，Warburg和其他人想知道，为什么这么多生物依赖它而不是使用更有效的有氧呼吸过程呢?

来自加州大学圣地亚哥分校的物理学家和生物学家团队可能终于找到了这个近100年历史的谜团的答案。在本周的“ 自然 ”杂志上，研究人员研究了合成大肠杆菌内发酵和有氧呼吸所需的酶和其他生物仪器的代谢成本，以及通过有氧呼吸产生能量的代谢节省。他们发现蛋白质合成的成本超过了快速生长细胞的代谢节省。

“我们发现的可以与煤炭工厂与核电厂产生能量之间的差异进行比较，”加州大学圣地亚哥分校物理与生物学教授Terry Hwa说。“煤炭工厂的生产能源效率低于核电厂，但建造成本要低得多。因此，决定生产能源的途径取决于煤炭的可用性和建设发电厂的可用预算“。

“对于细胞来说，事实证明还需要考虑两个成本，”他补充道。“一个是原材料的成本。有氧呼吸每个碳原子比发酵产生更多的能量。另一个是合成酶的机会成本。这个成本是指蛋白质制造机器或核糖体需要的数量。我们发现，与发酵相比，呼吸酶体积庞大且速度慢，因此需要合成大量的这些酶，并且需要大量的核糖体，以便在大量的情况下进行呼吸。这是一个重要的成本，因为核糖体的数量是生长的限制因素。“

“对于具有大量营养素的快速生长细胞，如果使用大量核糖体来制造呼吸酶，那么很少有它们可以制造其他生长蛋白质，包括核糖体本身。这会减缓生长并对细胞不利。由于营养丰富，呼吸的碳效率较高并不是一个重要的考虑因素。另一方面，当营养素稀缺且细胞不能快速生长时，其他细胞功能对核糖体的需求减少，并且成本增加核糖体不太重要。与此同时，利用呼吸产生能量可以节约宝贵的碳供应，这是营养不良条件下更重要的考虑因素。“

“在产生能量时，电池需要考虑这两个成本，碳的成本是普遍公认的，即呼吸更有效。我们在这项研究中建立的是制造能源发电设备的成本是也是实质性的，实际上是快速生长细胞的主要成本。“

几年前，荷兰的一个理论生物学家团队首次提出了这种机会成本对细胞生长的想法。在加州大学圣地亚哥分校的研究中，Hwa和他的合作者通过使用蛋白质组学质谱法实验性地表征了合成发酵与呼吸酶的成本，并发现呼吸蛋白的价格是发酵蛋白的两倍，因为相同的能量产生率。他们的研究是第一次为任何生命系统建立这样的成本。研究人员还开发了一种数学模型，可以定量预测代谢废物排泄的模式，以响应它们用于影响生长细胞生理状态的扰动。

研究人员表示，虽然目前尚不清楚癌症中“浪费新陈代谢”的起源是否存在相同的基本原理，但他们认为他们的结果提供了另一种思考这一过程的方法。

Hwa解释说：“这可能是快速增长细胞所必需的通用策略，而不是应该修复的问题。” “结果也可能对生物技术产生影响：代谢工程师总是试图减少工程生物中的代谢废物，以降低成本。我们的研究结果表明，减少废物可能对生物体有害，需要设计不同的策略来增加新陈代谢。效率。”

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