سلول ها چگونه انرژی را تولید و استفاده می کنند؟ ممکن است این سؤال ساده به نظر برسد، اما جواب آن ساده نیست.
علاوه برآن، دانستن این که کارخانه های سلول های میکروبی چگونه انرژی مصرف می کنند و همچنین چگونگی تخصیص پروتئین برای انجام این کار هنگام کار با تخمیرهای صنعتی بسیار مهم است.
در حالِ حاضر محققان نشان داده اند که با بهینه سازی شرایط تخمیر، می توان در E. coli و مخمر نانوایی متابولیسم را از تخمیر به صورت تنفس سلولی در آورد. این تغییر به این معناست که سلول ها می توانند انرژی داخلیِ بیشتری تولید کنند (ATP).
جنس نیلسن، استاد دانشگاه چالمرز در سوئد و مدیر علمی مرکز بنیاد نوردیسک در حوزه علوم زیست پایه و زیست محیط درDTU دانمارک می گوید: “این اطلاعات می تواند برای طراحی کارخانه های جدید برای سلول های بهبود یافته مورد استفاده قرار گیرد.” جنسن همراه با یوچن، نویسنده اول از گروه زیست شناسی و مهندسی زیست شناسی در کالمرز، متابولیسم E. coli و مخمر نان را به کمک مدل های ریاضی و آزمایش های بیولوژیکی مورد مطالعه قرار داده است. این تحقیق اکنون در مجموعه مقالات آکادمی ملی علومPNAS منتشر شده است.
سلول‌ها به طور مداوم مولکول هایی با انرژی بالا به نامATP را از قند تولید می‌کنند.ATP غذای سلولی است که توسط آنزیم ها در داخل سلول مصرف می شود. آنزیم ها از این انرژی برای ساخت توده های زیستی یا انجام کار های سلولی دیگر استفاده می کنند. هر چقدرATP بیشتری در دسترس باشد، آنزیم ها بهتر عمل می کنند. محققان با استفاده از یک روش محاسباتی دریافتند کهATP می تواند توسط دو مسیر ایجاد شود:
در یک مسیر تنفسی با بازده بالا که منجر به تولید 5/23 ATP در هر مولکول گلوکز می شود و در یک مسیر تخمیری کم بازده تنها ۱۱ATP در هر مولکول گلوکز تولید می شود. این دو مسیر مکمل یکدیگر هستند.
اما محققان توانستند با تغییر شرایط تخمیر و میزانِ قند و پروتئین موجود، تعادل طبیعی بین این دو را تغییر دهند. علاوه بر این آن ها نشان دادند که مسیرِ پر بازده، به توده پروتئینی بیشتری نسبت به مسیرِ کم بازده برای مصرف گلوکز با همان میزان نیاز دارد. آن ها همچنین نشان دادند که ساخت برخی از آنزیم های کلیدی بهتر عمل می کند، به این معنی که سلول ها از انجام متابولیسم کم بازده، به تنفس از طریق متابولیسم تنفسی با بازده بالا تغییر می یابند. این تغییر در هر دو منجر به تولیدATP بیشتر در سلول می شود، اما همچنین از تولید فرآورده های تخمیری جلوگیری می کند.
استات در E. coli و اتانول در مخمر
جنس نیلسن می گوید: “این فرآورده های جانبی، ناخواسته هستند و باعث کاهش بازده مولکول های مورد نظر برای تولید در کارخانه سلول می شوند.” علاوه بر این، محققان نشان دادند سلول هایی كه به بهترین نحو خود عمل می نمایند، در واقع از هر دو مسیر استفاده می کنند و نه تنها از بازده بالا و بیشتری(پروتئین های موجود بیشتر) برخوردارند.
بنابراین، راه حل برای دستیابی به عملکرد بهتر سلول ها در تخمیر، خاموش کردن مسیر تخمیر نیست، بلکه اختصاص پروتئین بیشتر به مسیر پر بازده است.
محققان صرفاً میكروب ها را در معرض شرایط مختلف تخمیر قرار دادند و مهندسی ژنوم را به منظور برانگیختن این تغییرات انجام ندادند. اما در همان زمان، مطالعات آن ها نشانگر این است كه چگونه می توان متابولیسم سلول ها را توسط مهندسی ژنوم تغییر داد تا در آزمایش های بعدی مؤثرتر واقع شوند.
