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      研究人員揭開了為什么細胞使用發(fā)酵的古老神秘面紗
      
			
      
				2019-02-13 15:22:11
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      當微生物將糖轉化為酒精，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 - 由細菌，真菌和其他快速生長的細胞用于在沒有氧氣的情況下產(chǎn)生能量 - 對于細胞產(chǎn)生能量的效率遠低于有氧呼吸。那么，為什么許多生物使用這種看似浪費的策略來產(chǎn)生能量而不是有氧呼吸，即使氧氣很容易獲得?
      

      研究人員揭開了為什么細胞使用發(fā)酵的古老神秘面紗
      

      近一個世紀以來，生物學家一直在思考這個難題，并將其稱為諾貝爾獎獲獎細胞生物學家Otto Warburg之后的“Warburg效應”。他在20世紀20年代發(fā)現(xiàn)癌細胞通過發(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?
      

      來自加州大學圣地亞哥分校的物理學家和生物學家團隊可能終于找到了這個近100年歷史的謎團的答案。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)蛋白質合成的成本超過了快速生長細胞的代謝節(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行比較，”加州大學圣地亞哥分校物理與生物學教授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發(fā)電廠的可用預算“。
      

      “對于細胞來說，事實證明還需要考慮兩個成本，”他補充道。“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會成本。這個成本是指蛋白質制造機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行呼吸。這是一個重要的成本，因為核糖體的數(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，包括核糖體本身。這會減緩生長并對細胞不利。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，當營養(yǎng)素稀缺且細胞不能快速生長時，其他細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，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的，即呼吸更有效。我們在這項研究中建立的是制造能源發(fā)電設備的成本是也是實質性的，實際上是快速生長細胞的主要成本。“
      

      幾年前，荷蘭的一個理論生物學家團隊首次提出了這種機會成本對細胞生長的想法。在加州大學圣地亞哥分校的研究中，Hwa和他的合作者通過使用蛋白質組學質譜法實驗性地表征了合成發(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，因為相同的能量產(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)學模型，可以定量預測代謝廢物排泄的模式，以響應它們用于影響生長細胞生理狀態(tài)的擾動。
      

      研究人員表示，雖然目前尚不清楚癌癥中“浪費新陳代謝”的起源是否存在相同的基本原理，但他們認為他們的結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胞所必需的通用策略，而不是應該修復的問題。” “結果也可能對生物技術產(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。我們的研究結果表明，減少廢物可能對生物體有害，需要設計不同的策略來增加新陳代謝。效率。”
      
			

			
        
      
			
      
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