Эволюционная клеточная биология: как оптимизировать производство энергии для быстрого роста без дыхания
Исследователи из Randall Centre for Cell & Molecular Biophysics и The Crick использовали эволюционный подход в клеточной биологии на двух родственных дрожжах-делящихся (fission yeasts), чтобы найти критические точки, в которых дыхание встраивается в центральный углеродный метаболизм.
Правила углеродного метаболизма
Установление правил углеродного метаболизма, который производит биомассу и энергию, критически важно для понимания жизни — от эволюции до развития и болезней.
- Гликолиз — древний метаболический путь, не требующий кислорода. Одна молекула глюкозы используется для производства двух молекул АТФ («энергетической валюты» клетки) и двух молекул пирувата.
- Дыхание — наиболее эффективный способ генерации АТФ (до 36 АТФ/глюкозу у млекопитающих) и регенерации переносчика электронов NAD+, необходимого для роста.
Парадокс выбора пути
Большинство эукариот (животные, грибы, растения) живут в среде с кислородом и используют дыхание. Однако быстрорастущие клетки человеческих раковых опухолей и одноклеточные организмы (например, дрожжи) часто выбирают гликолиз вместо дыхания, даже когда кислород доступен. О метаболической перестройке, необходимой для компенсации отсутствия дыхания, известно мало.
Ключевые выводы исследования
В новой работе, опубликованной в Current Biology, показано, как можно оптимизировать и производство АТФ, и регенерацию NAD+, чтобы обеспечить быстрый рост без дыхания. Обсуждаются возможные компромиссы (trade-offs) при выборе между дыханием и гликолизом.
Значение и перспективы
Понимание пластичности метаболизма может помочь объяснить экологию организмов и эволюцию таких клеточных характеристик высокого уровня, как размер клетки и скорость роста. Принципы, выявленные в этом исследовании, потенциально можно обобщить для:
- Перепрограммирования энергетического метаболизма при старении и болезнях человека.
- Улучшения производительности микроорганизмов в биотехнологических приложениях.