Nature颠覆性文章：不可预知的细胞代谢

来自荷兰FOM institute AMOLF的研究人员发现细胞中的代谢以不规则的方式进行。由于代谢是驱动细胞中所有生物活动的马达，这种不稳定性有可能在诸如癌症等疾病中发挥了作用。研究人员将他们的结果发布在9月3日的《自然》（Nature）杂志上。

　　

生物通报道  来自荷兰FOM institute AMOLF的研究人员发现细胞中的代谢以不规则的方式进行。由于代谢是驱动细胞中所有生物活动的马达，这种不稳定性有可能在诸如癌症等疾病中发挥了作用（延伸阅读：Nature发表细胞代谢最新综述）。研究人员将他们的结果发布在9月3日的《自然》（Nature）杂志上。

活细胞是一个一直在使用中的化学工厂。细胞摄取诸如葡萄糖等糖类，将这些糖类分解成更小的分子，利用它们来构建DNA、蛋白质、细胞膜和驱动细胞工厂的能量分子。这种逐步的过程称作为代谢，它使得细胞能够执行各种功能以及生长和增殖，由此创造了整个身体。

直到现在，科学家们都认为因为有充足的糖类和其他营养物质供应，细胞工厂总是以一种常规的方式运作，且细胞中包含有如此多的分子，一些分子的随机运动可以忽略不计。

研究的领导者Sander Tans教授说：“这是一种很好的想法，但即使代谢是规则且恒定的，也很难了解无数的反应彼此相互影响的机制。”而现在，Tans的研究小组发现细胞的代谢活动会以一种不可预知的方式波动，使得细胞工厂的运作变得更为的复杂。

接力赛跑

借助于两种巧妙的方法，研究人员得出了这一结论。首先，他们将焦点放在了在某个时刻细胞工厂中的单次反应上，例如一个糖分解步骤。通过使荧光蛋白结合到推动这种反应的酶上，他们可以记录酶量以及反应的速度。此外，科学家们还开发出了一种新的自动化显微镜技术来追踪在大肠杆菌细胞生长和增殖过程中单个细胞的生长速度。

研究人员发现，酶生成的随机波动随后导致了大肠杆菌细胞生长速度的变化。因此，酶量的改变导致了分解反应的速度发生改变，这样的波动一步一步传送到所有后续的反应，就像接力赛中的接力棒那样，因此最终细胞的生长被扰乱。

根据Tans所说，这是研究人员第一次研究代谢的动态及稳定性。这一研究发现引发了一系列有趣的问题。Tans说：“生物生长似乎远比以往认为的要更加的混乱无序。就此而论，它与经济增长相似，不可预测的波动非常常见。那么细胞是否会积极努力地将这种混乱限制在一定的程度？如果是这样，是如何做到的？为什么进化无法完全遏制这种混乱，使得所有细胞都可以始终快速的生长？最后，在以异常生长作为特征的疾病如癌症中，代谢的变化是否发挥了作用？”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Stochasticity of metabolism and growth at the single-cell level

Elucidating the role of molecular stochasticity1 in cellular growth is central to understanding phenotypic heterogeneity2 and the stability of cellular proliferation3. The inherent stochasticity of metabolic reaction events4 should have negligible effect, because of averaging over the many reaction events contributing to growth. Indeed, metabolism and growth are often considered to be constant for fixed conditions5, 6. Stochastic fluctuations in the expression level1, 7, 8, 9 of metabolic enzymes could produce variations in the reactions they catalyse……