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澳门尼斯人app摩登的酵母试验进一层确证糖与癌症生长的涉嫌!

发布时间:2020-01-12 13:54编辑:生命科学浏览(142)

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    研究葡萄糖发酵的科学家已经发现,与癌症相关的蛋白质可以被糖所激活。

    酵母菌是一个多元化的单细胞生物体,代表了食品和保健行业发展的巨大潜力。目前有超过1500种生物多样性的酵母菌,其中酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) - 也就是众所周知的面包酵母 - 在酿造,烘焙和最近的胰岛素等药物中的应用已有数百年的历史。其他品种仍然没有得到很好的研究,尽管正在进行大量的工作来探索其巨大的潜力。

    最近的一项研究已经揭示了糖与癌性肿瘤生长之间的关系,将酵母作为一种模式生物。欧盟以“居里夫人”的形式为PI SIGNALING项目提供支持,并将其结果发表在“自然通讯”杂志上。

    在没有氧的情况下,细胞通过糖酵解来处理糖,这是一种比呼吸效率低的方法。这是在剧烈运动中使肌肉燃烧的过程,并且在酿造啤酒期间产生乙醇。在酵母和癌细胞不同于其他细胞的地方,在德国诺贝尔奖获得者奥托·海因里希·沃伯(Otto Heinrich Warburg)之后,他们优先使用这种方法来加工糖,这种现象被称为沃伯格效应。

    这项新研究的结果表明,“酵母和哺乳动物细胞中一种主要的细胞增殖调节因子Ras和发生原癌基因产物的发酵与激活之间存在着进化上的保守机制”。 Ras蛋白作为细胞内信号网络的开关,控制诸如细胞增殖,凋亡和细胞迁移的过程。这些蛋白质的突变与癌症有关,导致癌细胞无法生长的能力。研究人员的研究表明,Ras可以被糖激活。

    这类蛋白质也存在于酵母中,使其成为研究其对癌细胞影响的理想模型生物体。研究人员检测了Ras在体内的激活,葡萄糖被添加到半乳糖生长的细胞中,并在原位与糖酵解中间体相结合。

    目的是确定葡萄糖发酵与Ras活化之间的分子联系。他们的研究结果表明,Warburg效应通过激活Ras引起恶性循环,引起发酵速率增加以刺激致癌效力。研究小组强调,研究结果并不显示糖会引起癌症,而是表明糖在癌细胞中的分解方式不同。

    PI信号已经将酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)作为真核细胞研究的模型系统,因为其具有遗传易用性和强大的基因组方法。

    该研究的主要作者Johan Thevalain解释说,葡萄糖,氮,磷酸盐,硫酸盐等形式的营养素利用率与PKA途径的控制之间的生物化学联系一直是研究小组最后研究的核心主题30年。其重要性还在于PKA信号传导途径控制酵母细胞的发酵速率,胁迫耐受性和许多其他性质。这些性质在涉及酵母的工业应用中是至关重要的,例如生产发酵饮料,生物乙醇和生物基化合物。

    出品:科普中国

    为什么有些酵母细胞会产生乙醇?几十年来,科学家一直在想这种明显的资源浪费。现在,格罗宁根大学的科学家认为他们有一个解决方案:酵母细胞产生乙醇作为安全阀,以防止当他们的代谢操作达到临界水平时过载。1月7日发表在自然代谢杂志上的这一新理论的意义可能是深远的,因为它也解释了为什么癌细胞通过产生乳酸而浪费能量,称为Warburg效应。

    制作:颜飞(中国科学院青岛生物能源与过程研究所)

    细胞利用葡萄糖等营养素制造新细胞。但有时,这些营养素中的一些会被浪费掉。例如,用于生产啤酒的酵母酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)将葡萄糖分解成乙醇而不是二氧化碳。将六碳分子代谢为二碳分子,而不是二氧化碳,意味着能量的一部分,葡萄糖中储存的物质就会丢失。格罗宁根大学分子系统生物学教授Matthias Heinemann说,这毫无意义。

    监制:中国科学院计算机网络信息中心

    代谢

    “中国制造2025”遇上德国“工业4.0”,共同掀起智能化产业革命的浪潮。人类在大世界干得热火朝天,与此同时微观世界的细胞工业智能化时代也已具雏形。

    进化应该结束这种资源的浪费,因此生物学家试图找到它存在的理由。海涅曼说,在其他细胞中可以看到类似的浪费。众所周知的例子是癌细胞。这些快速生长的细胞分泌乳酸,这是一种类似的能量浪费。许多细菌也会浪费能量。不同生物之间的这种相似性使我们怀疑是否存在共同点。

    一个细胞就是一座工厂

    Heinemann的研究领域是新陈代谢,这是一种化学反应网络,可为新细胞提供构建模块。他假设细胞能够运作新陈代谢的速率上限。他的博士生是Bastian Niebel和Simeon Leupold,他模仿了Gibbs在细胞中的能量耗散。这是在细胞中发生的所有化学反应释放的能量。

    早在6000多年前,居住在美索不达米亚地区的苏美尔人就已经知道用大麦芽酿制出原始的啤酒。但人类从真正认识细胞到现在才不过三四百年。1665年英国博物学家罗伯特·胡克第一次发现细胞。十几年后另一个经常被弄混的人—列文虎克观察到活的酵母。而直到19世纪,巴斯德才解开酒精酿造与酵母的关系。1846年,酵母在欧洲首次实现工业化生产。

    一些普遍的东西

    至此人类对细胞的认识才上升到学说层次。细胞是一切多细胞生物的基本结构单位。对单细胞生物来说,一个细胞就是一个个体。如今单细胞生物正在生物能源领域掀起一场细胞工业革命。

    通过将热力学加入到具有约1,000个化学反应的模型中并将模型与实验数据相结合,Heinemann能够确定作为葡萄糖摄取函数的吉布斯能量耗散率。起初,吉布斯能量消耗随着葡萄糖消耗速率的增加而增加,但随后达到平台

    细胞工业,是指利用微生物代谢实现廉价生物质材料的工业转化过程,如利用稻草、玉米秸秆等生产生物燃料和其他高附加值产品。

    • 此时乙醇生产开始。这是细胞从呼吸转向发酵的关键点,海涅曼解释说。

    传统的生物燃料生产工艺操作复杂、成本较高。新型的整合生物加工技术将酶的生产、纤维素的水解、五六碳糖共发酵等原本独立的反应步骤整合在同一个反应器中进行,实现了纤维素燃料的一步化生产。新一代木质纤维素能源产业的核心任务就是打造CBP“智能工厂”。

    Heinemann和他的团队获得了肠道细菌大肠杆菌的类似结果,其平台处于可比较的吉布斯能量耗散水平。Heinemann:酵母和大肠杆菌生活在完全不同的环境中,但具有相同的耗散极限,甚至大约相同的值。这表明这种限制具有普遍性。这种限制的确切原因尚不清楚,但科学家们提出了一个有效的假设。细胞新陈代谢的最大速率仍然可以运作。当达到此目的时,细胞打开安全阀,葡萄糖被分解为乙醇,乙酸盐或乳酸盐,留下部分能量未使用。

    热纤梭菌,最早从美国黄石国家公园的热泉(泉温高于45℃而又低于当地地表水的沸点的地下水露头)中分离得到。热纤梭菌具有高效降解木质纤维素的能力,但在自然状态下其燃料生产能力较差。想要用热纤梭菌批量高效生产乙醇,则需要对这座“热纤梭菌工厂”进行升级改造,改造过程会在后文详细介绍。

    损伤

    开采糖矿的巨无霸挖掘机:纤维小体

    So what is causing this limit? Part of the energy is dissipated as heat, but this is too little to bother the cells. Our idea is that when enzymes catalyze a chemical reaction, they get a tiny push during the reaction, which makes them move. If they work very fast, this could mean that there is too much movement inside the cells, which could damage certain cellular structures. Studies on the movement of enzymes inside the cell at different metabolic rates could confirm this.

    每年地球上通过植物光合作用合成的植物生物质有数千亿吨,其中非可食用的木质纤维素占到了总量的80%以上,这简直就是一座巨型糖矿。

    与此同时,海涅曼认为,他现在已经解决了不仅酵母中乙醇生产的神秘面纱,还解决了癌细胞中华宝效应的神秘面纱。大约一个世纪以前,已故的诺贝尔奖获得者Otto Warburg观察到癌细胞具有高的糖酵解速率和乳酸排泄。Heinemann认为,这种能量和物质的浪费是安全阀:有一些实验正在进行阻止乳酸生成的药物作为治疗癌症的方法。这些药物的作用机制可能是关闭细胞的安全阀。

    为了更高效地开采糖矿,热纤梭菌打造了纤维素降解分子机器——纤维小体。通过一条支架蛋白将不同功能的酶组装在一起,形成了一台“巨无霸挖掘机”。

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    但是,并非所有细胞都需要安全阀。一些酵母菌株的葡萄糖摄取缓慢,因此它们永远不会有代谢过载的危险。事实上,这些酵母物种不会产生乙醇,Heinemann说。

    纤维小体的组装过程(图片来源:Hong et al.,2014)

    这一发现让人想起ErwinSchrdinger的开创性着作生命是什么:新陈代谢的关键在于有机体成功地将自己从活着时无法帮助的所有熵中解放出来。Heinemann说,这个陈述应该扩展如下:但是,有一个上限速率,细胞可以从这个熵中解脱出来,这个限制决定了细胞如何运作它们的新陈代谢。

    这么厉害的“挖掘机”一个梭菌工厂可以配备几台?答案是热纤梭菌可以将纤维小体铺满整个细胞壁!

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    热纤梭菌及其纤维小体(图片来源:Hong et al.,2014)

    不像人类的工厂,工厂位置会受到各方面的限制,梭菌工厂可以在糖矿中自由穿梭,哪里有糖就把厂子开到哪里。

    想象一下,一群梭菌正在液体培养基里潜水,当温度逐渐升至55℃,大部分的细胞恢复了活力,“工厂”开始运转。这时来自糖矿的一个信号突然出现,梭菌几乎同时捕获了它,并开始高效作业将木质纤维素降解。

    这个信号分子就是纤维二糖,与多糖识别模块结合可促进释放胞内σ因子,启动相关纤维小体基因的表达。

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    σ因子调控纤维小体基因表达(图片来源:Nataf et al.,2010)

    这个信号发令后,整个工厂都运转起来。不同细胞器分工合作,打造出一件件精巧的部件。根据不同糖矿的情况,梭菌工厂调整酶的种类、比例和空间位置,实现纤维小体-“糖矿的巨无霸挖掘机”的智能合成。

    通过抛出像铁钩一样的碳水化合物结合模块,梭菌将自己牢牢地固定在纤维素表面。复杂的纤维小体高效运转起来,不同功能的酶相互协调。内切酶从纤维素链内部大段切割,外切酶从新生成的糖链末端切下一个个纤维二糖分子。

    最后,寡糖转运蛋白满载一车车的纤维二糖,进入细胞工厂内部进行简单加工,由一把Bgl“小剪刀”将一分子纤维二糖切割为两分子葡萄糖。经过工厂各部门的运作,到此整个开采糖矿过程结束。

    这座“工厂”是如何进行高效智能生产的?

    经过加工后的葡萄糖作为原料进入代谢网络之后可以转化为多种代谢产物如乙醇、乙酸、乳酸。因为我们的目标是乙醇,所以需要切断乙酸和乳酸的生产线。

    每条生产线上都有许多名工人在坚守岗位,辞退这些工人可要花费不少力气。由于突然降低了末端的资源消耗,而葡萄糖仍在向下游转化,就造成了中间产物的积累。这不仅是一种资源浪费,同时也不利于细胞的生长代谢。

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    热纤梭菌代谢途径(图片来源:Hong et al.,2014)

    为了解决这一问题,就要提高乙醇生产线的生产效率。提高工人的数量、改善饮食质量、最重要的是涨工资即ATP(腺苷三磷酸,生物体内最直接的能量来源)的输入)!这样一来,整条生产线就能高效运转起来,乙醇的产量翻了几番。

    “工厂”联合促进纤维素生物燃料转化

    由于热纤梭菌在纤维素生物燃料生产阶段并不具有优势,科学家们萌生了联合工厂的主意,即利用热纤梭菌与其它菌种共同完成纤维素生物燃料的转化。

    整改后的热纤梭菌的细胞工厂的主要任务由CBP变为CBS,专业降解木质纤维素产糖,整个流程都在胞外完成。

    我们将上文中的Bgl小剪和外切酶一起组装到了纤维小体上,在外切酶切下纤维二糖的同时再来一刀,最终收获的就是一罐罐的葡萄糖了。

    葡萄糖被转运至下一个工厂——裂殖壶菌,葡萄糖进入改造后的裂殖壶菌代谢网络,可以高效产出DHA。

    DHA是一种多不饱和脂肪酸,维持着神经系统细胞的生长和代谢。婴儿食之有利于大脑和视网膜的发育,成年人服用有利于改善记忆。

    然后,葡萄糖被转运至微拟球藻“工厂”,微藻因光合效率高、生长速率快、占地面积小、油脂含量高等优点,当之无愧地成为第三代生物柴油原料的首选。在开放塘中大规模培养微藻,微藻细胞内糖类物质经过一系列的代谢反应转化为油脂。利用短链醇和藻类油脂在催化剂、高温环境下进行酯交换反应,最终合成脂肪酸单脂,即生物柴油。

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    微拟球藻种子液(图片来源:颜飞拍摄于20180723)

    接着,葡萄糖被转运至下一个工厂——类酵母菌,可用来生产角鲨烯。角鲨烯是类固醇类物质的生物合成前体,具有较强的生物活性, 能够增强肌体组织对氧的利用能力,被广泛应用在医疗保健品和化妆品。

    从名字就可以得知,这种物质最早从鲨鱼肝、卵中提炼得到。利用类酵母菌生产角鲨烯还可以起到保护野生动物的作用。

    正如但丁所说“世界上没有垃圾只有放错地方的宝藏”,通过细胞工厂的运作,人类就可以真正实现变废为宝。

    参考资料:

    1]Bayer E A, Belaich J P, Shoham Y, et al. The cellulosomes: multienzyme machines for degradation of plant cell wall polysaccharidesJ]. Annual Review of Microbiology, 2003, 58:521-554.

    2]Demain A L, Newcomb M, Wu J H. Cellulase, Clostridia, and EthanolJ]. Microbiology & Molecular Biology Reviews Mmbr, 2005, 69:124.

    3] Doi R H, Kosugi A. Cellulosomes: plant-cell-wall-degrading enzyme complexesJ]. Nature Reviews Microbiology, 2004, 2:541-51.

    4]Klemm D, Heublein B, Fink H P, et al. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable aw material.J]. Angewandte Chemie, 2005, 44:3358.

    5]Smith S P, Bayer E A, Czjzek M. Continually emerging mechanistic complexity of the multi-enzyme cellulosome complexJ]. Current Opinion in Structural Biology, 2017, 44:151-160.

    6]Umesh K H. Bio-Ethanol: Renewable Alternative FuelJ]. 2017.

    7]Zheng Y, Lin H, Tsao G T. Pretreatment for cellulose hydrolysis by carbon dioxide explosionJ]. Biotechnology Progress, 1998, 14:890.

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