生物行移动版

葡萄酒、啤酒和酸奶都是微生物将糖转化为酒精、气体或酸的过程产物。然而，发酵——这种在缺氧条件下细菌、真菌和其他快速生长细胞用于生成能量的途径——相比于有氧呼吸，是一种低效的能量生成方式。那么，为什么许多生物即使在氧气充足的情况下，仍会选择这种看似浪费的策略呢？

近一个世纪以来，生物学家们一直困惑于这一难题，并以诺贝尔奖获得者、细胞生物学家奥托·瓦伯格（Otto Warburg）的名字将其命名为“瓦伯格效应”。瓦伯格在20世纪20年代发现，癌细胞通过糖酵解生成能量，并产生乳酸等大量代谢废物。正电子发射断层扫描（PET）正是利用肿瘤高糖酵解的特性来检测癌症。瓦伯格和其他科学家一直想知道，如果糖酵解如此低效，为何众多生物仍依赖它，而非更高效的有氧呼吸？

由加州大学圣地亚哥分校的物理学家和生物学家组成的研究团队，可能最终找到了这个百年谜题的答案。他们在《自然》杂志上发表的研究中，探讨了大肠杆菌合成发酵和有氧呼吸所需酶及其他生物学装置的代谢成本，以及有氧呼吸带来的代谢节约。他们发现，对于快速生长的细胞，有氧呼吸蛋白质合成的成本超过了代谢节约。

领导这项研究的是加州大学圣地亚哥分校物理学和生物学教授华泰立（Terry Hwa）。他于1990年获得麻省理工学院博士学位，是知名的理论生物物理学家。1993年，他获得中国国家自然科学基金奖，后被聘为清华大学的长江特聘讲座教授。

华泰立教授解释道：“我们的发现可以用煤炭厂和核电站的产能差异来比喻。煤炭厂发电效率远低于核电站，但建造成本也低得多。因此，选择哪种发电方式取决于煤炭的可用性和建设预算。对于细胞而言，需要考虑两种成本：一是原材料成本，有氧呼吸比发酵能更高效地利用碳原子；二是合成酶的机会成本，即招募核糖体来合成这些酶的成本。我们发现，呼吸酶比发酵酶更大且更慢，因此为了维持可持续的有氧呼吸速率，细胞需要合成大量呼吸酶，这会占用大量核糖体。核糖体数量是细胞生长的限制因素，因此这是一项重要成本。”

“在营养丰富的条件下，快速生长的细胞若将大量核糖体用于制造呼吸酶，则只有少量核糖体可用于生成其他生长蛋白，包括核糖体自身，这会减慢生长速度，对细胞不利。此时，有氧呼吸更高的碳效率并非关键因素。相反，当营养匮乏、细胞生长缓慢时，其他细胞功能对核糖体的需求降低，占用核糖体的成本变得次要。同时，利用呼吸作用节省宝贵的碳供应，在营养匮乏时更为重要。”

“细胞生成能量时需考虑这两种成本：碳成本是普遍公认的，即呼吸作用碳效率更高；而本研究表明，制造能量生成装置的成本同样巨大，对快速生长细胞而言甚至占主导地位。”

几年前，荷兰的一个理论生物学家研究小组率先提出了细胞生长机会成本的概念。在本研究中，华泰立教授与合作者利用蛋白质组质谱分析法，通过实验测定了合成发酵酶和呼吸酶的成本，发现以相同能量生成率计算，呼吸蛋白的成本是发酵蛋白的两倍。这是首次在活体系统中确定此类成本。他们还开发了数学模型，定量预测了细胞在受到干扰时排泄代谢废物的模式。

研究人员指出，尽管尚不清楚相同原理是否适用于癌症中的“浪费性代谢”，但他们的研究为思考这一过程提供了新途径。华泰立说：“这并非出了故障需要修复，而可能是快速生长细胞的一种通用策略。研究结果对生物技术也有重要启示：代谢工程师常试图减少基因工程生物的代谢废物以降低成本，但我们的研究表明，减少废物可能对生物有害，需要设计不同的策略来提高代谢效率。”