通過研究細菌和酵母，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，截然不同類型的細胞仍然具有基本相似性，跨物種保守并隨著時間的推移而得到改善。更具體地說，這些細胞含有相同比例的特殊蛋白質(zhì)，稱為酶，它們協(xié)調(diào)細胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。

為了生長和分裂，細胞依賴于獨特的酶混合物，每秒可進行數(shù)百萬次化學(xué)反應(yīng)。許多酶在繼電器中進行一系列相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，稱為“通路”，其中一種化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物是下一種化學(xué)反應(yīng)的起始原料。通過對分子進行許多漸進的改變，通路中的酶發(fā)揮重要作用，例如將營養(yǎng)轉(zhuǎn)化為能量或復(fù)制DNA。

幾十年來，科學(xué)家們想知道是否嚴格控制了一條通路中酶的相對含量，以便更好地協(xié)調(diào)它們的化學(xué)反應(yīng)?，F(xiàn)在，研究人員已經(jīng)證明細胞不僅產(chǎn)生精確量的酶，而且進化壓力選擇優(yōu)選的酶比例。通過這種方式，酶的行為類似于蛋糕的成分，必須以正確的比例組合，并且所有生命可以共享相同的酶配方。

“我們?nèi)匀徊恢罏槭裁催@種酶的組合是理想的，”麻省理工學(xué)院生物學(xué)助理教授Gene-Wei Li說，“但這個問題開辟了一個全新的生物學(xué)領(lǐng)域，我們稱之為系統(tǒng)級優(yōu)化在這個學(xué)科中，研究人員將研究不同酶和途徑在細胞復(fù)雜環(huán)境中的行為。“

Li是該研究的高級作者，該研究于3月29日在Cell上發(fā)表，并于4月19日出版。該論文的主要作者Jean-BenoîtLalanne是麻省理工學(xué)院物理系的研究生。

意外的觀察

100多年來，生物學(xué)家通過觀察酶催化試管中的化學(xué)反應(yīng)來研究酶，并且最近使用X射線觀察它們的分子結(jié)構(gòu)。

然而，盡管多年來一直在詳細描述單個蛋白質(zhì)，科學(xué)家仍然不了解細胞內(nèi)酶的許多基本特性。例如，尚不可能預(yù)測細胞應(yīng)該使酶的最佳量以最大化其存活機會。

計算是棘手的，因為答案不僅取決于酶的特定功能，還取決于其作用如何對細胞內(nèi)的其他化學(xué)反應(yīng)和酶產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。

“即使我們確切知道一種酶的作用，”李說，“我們?nèi)匀粵]有意識到細胞會產(chǎn)生多少蛋白質(zhì)?？紤]生物化學(xué)途徑更加復(fù)雜。如果我們給生物化學(xué)家三種酶例如，在將糖分解為能量的過程中，他們可能不知道如何以適當(dāng)?shù)谋壤旌系鞍踪|(zhì)以優(yōu)化反應(yīng)。“

包括蛋白質(zhì)在內(nèi)的物質(zhì)相對含量的研究被稱為“化學(xué)計量學(xué)”。為了研究不同類型細胞中酶的化學(xué)計量，Li和他的同事們分析了三種不同的細菌 - 大腸桿菌，枯草芽孢桿菌和無菌弧菌 - 以及芽殖酵母釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。在這些細胞中，科學(xué)家比較了21種途徑中酶的數(shù)量，這些途徑負責(zé)各種任務(wù)，包括修復(fù)DNA，構(gòu)建脂肪酸以及將糖轉(zhuǎn)化為能量。因為這些酵母和細菌已經(jīng)進化到不同的環(huán)境中并且具有不同的細胞結(jié)構(gòu)，例如核的存在或缺乏，研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)所有四種細胞類型在所有檢查的途徑中具有幾乎相同的酶化學(xué)計量。

Li的團隊通過詳細說明細菌如何實現(xiàn)一致的酶化學(xué)計量來跟蹤他們意想不到的結(jié)果。細胞通過調(diào)節(jié)兩個過程來控制酶的產(chǎn)生。第一種轉(zhuǎn)錄將DNA鏈中包含的信息轉(zhuǎn)換成信使RNA(mRNA)的許多拷貝。第二種翻譯是在核糖體解碼mRNA以構(gòu)建蛋白質(zhì)時發(fā)生的。通過分析所有三種細菌物種的轉(zhuǎn)錄，Li的團隊發(fā)現(xiàn)不同的細菌產(chǎn)生不同數(shù)量的mRNA編碼途徑中的酶。

不同量的mRNA理論上會導(dǎo)致蛋白質(zhì)產(chǎn)生的差異，但研究人員發(fā)現(xiàn)細胞調(diào)整了它們的翻譯速率以補償轉(zhuǎn)錄的變化。產(chǎn)生更多mRNA的細胞減慢了蛋白質(zhì)合成的速度，而產(chǎn)生較少mRNA的細胞增加了蛋白質(zhì)合成的速度。由于這種補償，酶的化學(xué)計量在不同的細菌中保持恒定。

“值得注意的是，大腸桿菌和枯草芽孢桿菌需要相同數(shù)量的相應(yīng)蛋白質(zhì)，正如轉(zhuǎn)錄和翻譯效率的補償性變化所見，”瑞典烏普薩拉大學(xué)物理生物學(xué)教授約翰·埃爾夫說。“這些結(jié)果引發(fā)了關(guān)于不同細胞中酶生成如何演變的有趣問題。”

“檢查細菌基因簇確實非常引人注目，”主要作者Lalanne說。“在漫長的進化歷史中，這些基因已經(jīng)移位，突變成不同的序列，并被隨機插入基因組的移動DNA片段轟炸。盡管如此，細菌通過調(diào)整翻譯維持這些變化來補償這些變化。它們的酶的化學(xué)計量學(xué)。這表明我們尚不了解的進化力使細胞具有相同的酶化學(xué)計量。“

尋找調(diào)節(jié)人類健康的化學(xué)計量

在未來，李和他的同事將測試他們在細菌和酵母中的發(fā)現(xiàn)是否延伸到人類。由于單細胞和多細胞生物以不同方式管理能量和營養(yǎng)，并且經(jīng)歷不同的選擇壓力，研究人員不確定他們將發(fā)現(xiàn)什么。

“也許會有一些化學(xué)計量學(xué)變化的酶，以及一小部分酶的水平更加保守，”李說。“這表明人體對特定酶的變化非常敏感，可以制造出良好的藥物目標。但是直到我們看，我們才會知道。”

除了人體之外，李和他的團隊相信，有可能在所有細胞中找到復(fù)雜的分子喧囂。像自然界中的其他數(shù)學(xué)模式一樣，例如貝殼的螺旋或樹的分支模式，酶的化學(xué)計量可能是生活中廣泛的設(shè)計原則。