Разгадана вековая загадка: почему клетки используют ферментацию
Ферментация — процесс, при котором микроорганизмы превращают сахар в спирт, газы или кислоты (например, при производстве вина, пива, йогурта). Это менее эффективный способ получения энергии, чем аэробное дыхание. Почему же многие организмы (бактерии, грибы, быстрорастущие клетки) используют эту, казалось бы, расточительную стратегию даже при наличии кислорода? Этот парадокс, известный как "эффект Варбурга", оставался загадкой почти 100 лет.
Группа физиков и биологов из UC San Diego, возможно, нашла ответ. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, они изучили метаболические затраты на синтез ферментов для ферментации и аэробного дыхания у бактерии E. coli.
Ключевое открытие: для быстрорастущих клеток стоимость синтеза белков перевешивает метаболическую выгоду от более эффективного дыхания.
Две "цены" для клетки:
- Стоимость сырья (углерода). Аэробное дыхание генерирует больше энергии на атом углерода, чем ферментация.
- Альтернативная стоимость синтеза ферментов. Ферменты для дыхания громоздкие и медленные по сравнению с ферментами для ферментации. Для достижения существенной скорости дыхания нужно синтезировать их очень много, что связывает большое количество рибосом — клеточных "фабрик" по производству белков.
Почему это важно? Количество рибосом — лимитирующий фактор роста клетки.
- При изобилии питательных веществ (быстрый рост) связывание рибосом для производства дыхательных ферментов замедляет синтез других белков, необходимых для роста, включая сами рибосомы. Эффективность использования углерода здесь вторична.
- При дефиците питательных веществ (медленный рост) спрос на рибосомы для других функций падает. На первый план выходит сохранение драгоценного углерода, и более эффективное дыхание становится выгодным.
Экспериментальные данные: Используя протеомную масс-спектрометрию, ученые установили, что белки для дыхания в два раза "дороже" (требуют больше ресурсов для синтеза), чем белки для ферментации, при той же скорости выработки энергии.
Значение работы:
- Для онкологии: "Расточительный" метаболизм раковых клеток (эффект Варбурга) может быть не ошибкой, а универсальной стратегией для любого типа быстрорастущих клеток.
- Для биотехнологий: Попытки инженеров-метабологов уменьшить количество метаболических отходов у микроорганизмов могут быть контрпродуктивными, так как это может замедлить их рост. Необходимы новые стратегии повышения эффективности.