一個細胞的內部運作涉及到不計其數的單個分子，它們參與到重復循環的相互作用之中來維持生命。蛋白質形成就是這種生命活動的基礎。

賓夕法尼亞大學的Joshua B. Plotkin教授說，由于蛋白質是細胞功能的基礎構件，科學家們一直以來對于細胞生成蛋白質的機制都極其地感興趣。

“蛋白質翻譯對于所有的活細胞均極為重要。細胞借助于這一機制將遺傳信息轉變為能夠真正為它做事的實體，使得細胞能夠感知環境和生長，”Plotkin說。

在一項最新的研究中，Plotkin和博士后研究人員、文理學院的Premal Shah利用一種計算機模型，闡明了細胞中蛋白質翻譯的限速機制。他們的研究發表發表在近期的《細胞》（Cell）雜志上。

與英國的科學家們展開合作，由賓夕法尼亞大學領導的這一科研小組在酵母細胞中構建了一個蛋白質翻譯的理論模型。基于一張核糖體與信使RNAs（mRNAs）的實驗快照推導出的參數，該模型模擬出了蛋白質的翻譯過程。

mRNAs是翻譯開始的一個重要組成部分。隨著核糖體沿著mRNA鏈移動，解碼它的遺傳信息，其形成了一條機械裝配線，以mRNA指定的序列翻譯出氨基酸鏈。

核糖體從細胞的其他地方獲得氨基酸。稱作為tRNAs的轉移RNAs，將氨基酸運送到正在進行蛋白質翻譯的核糖體處。tRNA的作用是將mRNA密碼子與對應的氨基酸聯系一起。氨基酸的排列順序決定了構建出的蛋白質類型。在這一過程結束之時，蛋白質會從核糖體釋放出來，在細胞內開始發揮其作用。

我們可以將核糖體、轉移RNA和信使RNA的行為，比作是一組人試圖利用電梯來去到一個更高的樓層。

關鍵的問題是，是什么延遲了每個人到達更高樓層的時間——是因為人們需要時間來尋找電梯還是電梯自身的速度？如果電梯移動很慢，我們期望能夠找到等候在底層的大群的人，以及更多在電梯上的人。而如果電梯移動迅速，那么延遲就是因為人們首先花費了時間來尋找電梯所致。

那么同樣的，在細胞中，是什么減慢了核糖體解碼mRNAs信息的速度呢？

是由于核糖體結合mRNA起始序列的頻率（這一過程在生物學中稱作翻譯起始），還是隨后核糖體沿著mRNA鏈移動（這一過程稱作為翻譯延伸）的速度導致了延遲呢？

結果表明，答案取決于細胞的環境，以及它的壓力水平。

在正常情況下，核糖體供不應求，因此主要的瓶頸在于起始步驟。科學家們推斷，長mRNAs的起始速度甚至更慢。

這一發現有助于解決一個激烈的爭論：是起始還是延伸限制了細胞中蛋白質生成的速度。

Plotkin說：“我們證實，對于健康細胞中的正常基因，游離核糖體的起始速度限制了翻譯的步伐。這在進化上確實很有意義。相比于tRNA，生成核糖體所需要付出的代價更大。因此對于細胞而言最好是有所節制，核糖體略少一些，tRNAs略多一點。”

對于健康細胞而言是這種情況。而當細胞受到壓力時，情況會發生改變。這時蛋白質的翻譯速度受到延伸的限制。這時因為壓力細胞耗盡了氨基酸，因此只有較少的tRNAs可供延伸利用。核糖體必須用更長的時間等待tRNA將對應的氨基酸帶到mRNA的每個區段。

研究人員發現，壓力細胞可以讓蛋白質工廠處于待命狀態。

“通過在壓力下減慢起始速度，細胞降低了它的預期需要，實際上得到了相對較多的蛋白質產量。你可以將之比作，如果沒有足夠的汽油，就嘗試不要按每小時60英里的速度開車，那么你就可以去到你要去的地方，”Plotkin說。

研究人員發現，是起始或是延伸限制蛋白質翻譯的速度，取決于細胞的環境。

研究人員表示，了解了這一過程的運作機制，將有助于各種生物技術應用。例如，就諸如胰島素等有益蛋白質而言，科學家們可以找到一些方法來優化細胞的蛋白質生成。