生物学家报告了计算细胞基因的终生能量需求的方法

发布日期：2019-02-14 浏览次数：105

在最近发表的一篇论文中，印第安纳大学的生物学家已经计算了多种类型细胞的终生能量需求，以及在这些细胞中复制和表达基因所需的能量。“ 美国国家科学院院刊 ”报道的“基因的生物能量成本” 首次描述了构建和维持细胞需要多少总能量，以及它如何随细胞大小而变化。

“这项研究试图系统地在多种物种中全面地绘制细胞的终生能量需求，以及维持和表达基因组的总成本，”IU生物学家迈克尔林奇说，他领导了这项研究。“它还以一种坚实的方式否定了复杂细胞在没有能量产生线粒体的情况下永远不会进化的共同论点。”

林奇是IU布卢明顿艺术与科学学院生物系的杰出教授。生物学博士后研究员Georgi K. Marinov是该论文的共同作者。该研究是Lynch实验室为计算细胞各部分(包括细胞膜和内部细胞器)的精确能量成本而进行的更大努力的一部分。

文章中报道的第一步描述了单个基因的总能量消耗，如DNA，RNA和蛋白质水平所致。

为了进行这项研究，Lynch和Marinov回顾了可追溯到20世纪60年代的论文，每篇论文都关注不同的生物，并应用当前关于代谢途径和单细胞属性的信息来确定每个细胞的终生能量需求。他们指出了“维持细胞所需的能量”和“构建下一代后代细胞所需部分所需的能量”，林奇说。目标是“找到分母”，或者将每个其他结构的需求分成的总能量。

研究中使用的能量单位是ATP，或腺苷三磷酸腺苷，这是一种简单的分子，通过磷酸盐键断裂，成为细胞中细胞能量的主要载体。就能量而言，当这些键之一被破坏时，单个ATP分子产生大约十分之一的焦耳。

研究中最简单的细胞，细菌，在其一生中需要大约1亿个ATP能量分子。研究中最复杂的细胞，即真核细胞，在整个生命周期中需要超过1000倍。

在真核生物中，ATP主要由线粒体产生，线粒体是负责复杂真核细胞中大部分能量利用的细胞结构。

因为它们具有独立于其宿主细胞的基因组，所以已知线粒体起源于大约20亿年前被吸收到早期单细胞生物中的古老细菌。

共生的术语用于描述在单细胞生物体吸收线粒体的细菌祖先后，没有细胞核或细胞器 - 原核生物的细胞产生具有细胞核和细胞器 - 真核生物的更复杂细胞的概念。它被认为是进化史上最重要的事件之一。

然而，令人惊讶的是，IU科学家发现，随着细胞变得越来越复杂，能量消耗随细胞体积呈线性增长，而不是呈指数或逐步增长。因此，尽管真核细胞需要更多能量用于细胞繁殖，但与原核细胞相比，它们相对于细胞体积不会以更高的速率增加其能量需求。

“通过线粒体产生能量的增强能力通常被视为真核细胞特征进化的先决条件，例如基因数量增加，蛋白质长度，蛋白质折叠，蛋白质 - 蛋白质相互作用和调节元件，”Lynch说。“但我们的观察结果表明，与线粒体相关的能量增加不是基因组复杂性的先决条件。”

林奇说，研究人员项目的最终目标类似于想知道建房成本的房主。

“如果你的预算有限，那么在你知道所有材料的成本之前就不能开始施工，”林奇说。同样，进化不是免费的，构建细胞的每个部分都需要可以在其他地方使用的成本。

了解这些成本与效益之间的关系将有助于阐明自然选择等力量如何影响地球上发现的巨大细胞多样性。

例如，如果构建结构的成本与获得的效益大致相同，则从长远来看，没有适应性的净收益或损失。

“这项工作与大量理论联系在一起，概述了越来越合理的情景，复杂的特征可能通过自然选择以外的机制出现，”林奇说。“我们再也不能简单地假设有机体的所有特征都来自于自然选择的促进。”