泄漏必要的资源实际上有助于细胞生长

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

专家一直无法解释为什么细胞(从细菌到人类)会泄漏生长到环境中所需的必需化学物质。新的数学模型表明，泄漏的代谢物(化学过程中涉及的物质，通过产生复杂的分子和能量来维持生命)可以为细胞提供自私和无私的利益。

泄漏必要的资源实际上有助于细胞生长

以前，生物学家只能说泄漏是由化学基本规则引起的细胞膜的固有特性。

东京大学复杂系统研究中心理论生物学专家Kunihiko Kaneko教授说：“膜的本质是泄漏，但是如果泄漏是不希望的，为什么进化没有阻止它?这个问题从未得到解决。”生物学。

该研究小组使用了可以测量多个因素随时间变化的计算方法(称为动态系统建模的过程)，并结合了计算机模拟。通过将细胞状态表示为细胞内化学物质(包括营养素，酶和合成细胞体的成分)的浓度，研究人员考虑了细胞生长的非线性过程，其中细胞吸收外部营养物并将其通过细胞内转化为细胞体和能量化学反应。所有计算均假定模型细胞处于稳定的生长状态，其中其内部代谢和细胞内化学物质的相对浓度均稳定。

这些计算旨在确定如果某些化学合成途径的某些成分泄漏到环境中将变得更有效。化学合成途径的数学模型比活细胞中复杂的分支途径更简单，但允许研究人员寻找基本模式。

研究人员确定了两种具有催化反应的模型化学途径，这些途径使用酶来提高反应速率，它们被称为“通量控制”和“生长稀释”机制。在这两种机制，泄漏的一个必要化学上游部件途径允许最终产品，可以更有效地生产。因此，渗漏是细胞自私地促进自身生长的行为。

“理论上，通量控制机制通过在另一分支途径中泄漏必需化学物质而增强了生物质合成的途径，而生长稀释机制通过生物质前体(例如氨基酸)的泄漏而增强了生物质合成。细胞生长所必需的)是化学反应与浓度稀释之间的平衡的结果。

到目前为止，研究小组创建的模型一次只考虑一种类型的单元格。然而，对于仅以相同类型的细胞泄漏相同成分的细胞而言，泄漏上游成分可能成为问题。

“在许多情况下，如果所有细胞都泄漏相同的分子，那么它们的环境将被'污染'。但是，如果多种细胞类型生活在一起，那么它们就会泄漏一种化学物质，而使用另一种化学物质泄漏的另一种化学物质。”

泄漏的必需营养素的这种互利交换可能是提高整个细胞群落生长的无私方法。

Yamagishi说：“我们的工作可能部分回答了为什么自然环境与人工实验室条件下的细菌在纯单培养中生长的情况如此不同的问题，但是我们将需要其他模型来确保这一点，”

研究人员正计划设计更复杂的数学计算，以更好地模拟多种类型的细胞共存的自然条件，以了解这是否揭示了从泄漏中受益的其他合成途径。