PNAS：蛋白質合成的經濟決策

日期：2013-10-17 09:45:06

當細胞生長和增殖之時，它們需要生成大量的蛋白質。由于所有這些蛋白質都是由核糖體制造，因此快速的生長需要大量的核糖體。由于對于細胞而言核糖體是昂貴的機器，細胞需要有效地使用它們。

在一項發表在《美國科學院院刊》（PNAS）上的新研究中，來自德國馬克思普朗克膠體與界面研究所，以及來自加拿大、丹麥和美國大學的研究人員組成的一個研究小組，調查了大腸桿菌解決這一問題的機制，證實它所采用的經濟利用核糖體的策略接近于最佳。這一策略將細胞的核糖體量增多與它們運作的速度增高連接到了一起：無論何時細胞核糖體生成增多，它也能使核糖體的運行速度加快。此外，這一研究確定了龐大的tRNA復合體在細胞中緩慢擴散限制了核糖體的速度，是核糖體以高昂代價運行加速的根源。

隨著一家公司的成長壯大，它需要投資機器來生成更多數量的產品。生長和增殖的細胞也是這樣的情況。它們需要將資源投入到如核糖體等機器中來合成蛋白，以及最終生成新細胞。為了這樣做它們不得不做出經濟決策，例如是生成更少的核糖體使之運行加速，或是生成更多的核糖體使之運行減慢。細胞只能是將它的資源或是投入生成大量的核糖體或是讓它們快速運行。新研究通過系統地比較蛋白質組資源分配理論模型，以及用不同的營養源培育而具有不同生長速率的大腸桿菌的實驗數據，調查了所采用的策略。

結果表明，細菌利用了這兩種策略的組合：當細胞生長加速時，核糖體量及運作速度均增高。但如果所有的資源只投入到任一方面，則兩者都不能夠達到盡可能最多。這是這種細胞能夠做出的最好投資策略嗎？“在我們的模型中，它并非最佳但卻非常接近于最佳，”研究的主要作者、馬克思普朗克膠體與界面研究所研究小組負責人Stefan Klumpp說：“它是一種非常簡單的策略，因此進一步改善它或許會增加額外的成本。”

使得核糖體更快速運行為什么要付出高昂的代價？蛋白質是通過核糖體將不同的氨基酸鏈按正確的順序拼合到一起而生成。由于必須將氨基酸運送至核糖體，這一過程由三元復合物來完成。為了讓核糖體更快速地運轉，需要加快這種傳送，但提高這一傳送的速度面臨著一種物理限制：細胞內部擠滿了蛋白質和其他的分子，因此大的三元復合物只能緩慢地通過。唯一讓它們快速達到的途徑就是擁有大量的三元復合物，因此其中之一或許能夠及時到達核糖體。生成更多的三元復合物轉而需要更多的核糖體。

細菌核糖體是許多抗生素的作用靶標，新研究為了解細菌細胞對這些抗生素所產生的反應奠定了理論基礎。例如，細胞通常在一定程度上通過生成更多的核糖體來補償核糖體功能下降。相似的經濟限制預計也適應于所有的快速增長和增殖的細胞，因此這些研究結果在未來或許也適應于高等生物，尤其是癌細胞。