Evolutionäre zellbiologische Studie zeigt, wie die Energieproduktion optimiert werden kann, um ein schnelles Wachstum ohne Atmung zu gewährleisten

In einem heute veröffentlichten Artikel verwenden Forscher des Randall Center for Cell & Molecular Biophysics und The Crick einen evolutionären zellbiologischen Ansatz bei zwei verwandten Spalthefen, einer, die Energie durch Atmung gewinnt, und einer, die dies nicht tut, um die kritischen Punkte zu finden welche Atmung in den zentralen Kohlenstoffstoffwechsel einfließt.

Die Festlegung der Regeln des Kohlenstoffstoffwechsels, der Biomasse und Energie produziert, ist entscheidend für unser Verständnis des Lebens, von der Evolution über die Entwicklung bis hin zu Krankheiten. Die Glykolyse ist ein uralter Stoffwechselweg, der keinen Sauerstoff benötigt. Ein Molekül Glukose wird verwendet, um zwei Moleküle ATP – die „Energiewährung“ der Zelle – und zwei Moleküle Pyruvat, ein Zwischenmolekül, das bei der Atmung weiter verstoffwechselt werden kann, zu produzieren. Die Atmung ist der effizienteste Weg, um ATP zu erzeugen (insgesamt werden bei Säugetieren bis zu 36 ATPs/Glukose produziert) und den für das Wachstum erforderlichen Elektronenträger NAD+ zu regenerieren.

Die meisten Eukaryoten – wie Tiere, Pilze oder Pflanzen – leben in Umgebungen mit viel Sauerstoff und atmen. Schnell wachsende menschliche Krebszellen und einzellige Organismen wie Hefen entscheiden sich jedoch häufig für die Glykolyse gegenüber der Atmung, selbst wenn Sauerstoff verfügbar ist. Wir wissen wenig über die metabolische Neuverdrahtung, die erforderlich ist, um mit der fehlenden Atmung fertig zu werden.

Die Autoren des neuen Papers, erschienen in Aktuelle Biologiezeigen, wie sowohl die ATP-Produktion als auch die NAD+-Regeneration optimiert werden können, um ein schnelles Wachstum ohne Atmung zu gewährleisten, und diskutieren mögliche Kompromisse bei der Wahl zwischen Atmung und Glykolyse.

Die Forscher sind davon überzeugt, dass das Verständnis der Plastizität des Stoffwechsels letztendlich dazu beitragen kann, die Ökologie des Organismus und die Evolution übergeordneter zellulärer Merkmale wie Zellgröße und Wachstumsrate zu erklären. Die in dieser Studie aufgedeckten Prinzipien können möglicherweise auf die Neuprogrammierung des Energiestoffwechsels bei menschlicher Alterung und Krankheit verallgemeinert werden und zeigen neue Wege zur Verbesserung der mikrobiellen Leistung in biotechnologischen Anwendungen auf.