當(dāng)細(xì)胞生長和增殖之時(shí)，它們需要生成大量的蛋白質(zhì)。由于所有這些蛋白質(zhì)都是由核糖體制造，因此快速的生長需要大量的核糖體。由于對(duì)于細(xì)胞而言核糖體是昂貴的機(jī)器，細(xì)胞需要有效地使用它們。

在一項(xiàng)發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上的新研究中，來自德國馬克思普朗克膠體與界面研究所，以及來自加拿大、丹麥和美國大學(xué)的研究人員組成的一個(gè)研究小組，調(diào)查了大腸桿菌解決這一問題的機(jī)制，證實(shí)它所采用的經(jīng)濟(jì)利用核糖體的策略接近于最佳。這一策略將細(xì)胞的核糖體量增多與它們運(yùn)作的速度增高連接到了一起：無論何時(shí)細(xì)胞核糖體生成增多，它也能使核糖體的運(yùn)行速度加快。此外，這一研究確定了龐大的tRNA復(fù)合體在細(xì)胞中緩慢擴(kuò)散限制了核糖體的速度，是核糖體以高昂代價(jià)運(yùn)行加速的根源。

隨著一家公司的成長壯大，它需要投資機(jī)器來生成更多數(shù)量的產(chǎn)品。生長和增殖的細(xì)胞也是這樣的情況。它們需要將資源投入到如核糖體等機(jī)器中來合成蛋白，以及最終生成新細(xì)胞。為了這樣做它們不得不做出經(jīng)濟(jì)決策，例如是生成更少的核糖體使之運(yùn)行加速，或是生成更多的核糖體使之運(yùn)行減慢。細(xì)胞只能是將它的資源或是投入生成大量的核糖體或是讓它們快速運(yùn)行。新研究通過系統(tǒng)地比較蛋白質(zhì)組資源分配理論模型，以及用不同的營養(yǎng)源培育而具有不同生長速率的大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)查了所采用的策略。

結(jié)果表明，細(xì)菌利用了這兩種策略的組合：當(dāng)細(xì)胞生長加速時(shí)，核糖體量及運(yùn)作速度均增高。但如果所有的資源只投入到任一方面，則兩者都不能夠達(dá)到盡可能最多。這是這種細(xì)胞能夠做出的最好投資策略嗎？“在我們的模型中，它并非最佳但卻非常接近于最佳，”研究的主要作者、馬克思普朗克膠體與界面研究所研究小組負(fù)責(zé)人Stefan Klumpp說：“它是一種非常簡單的策略，因此進(jìn)一步改善它或許會(huì)增加額外的成本。”

使得核糖體更快速運(yùn)行為什么要付出高昂的代價(jià)？蛋白質(zhì)是通過核糖體將不同的氨基酸鏈按正確的順序拼合到一起而生成。由于必須將氨基酸運(yùn)送至核糖體，這一過程由三元復(fù)合物來完成。為了讓核糖體更快速地運(yùn)轉(zhuǎn)，需要加快這種傳送，但提高這一傳送的速度面臨著一種物理限制：細(xì)胞內(nèi)部擠滿了蛋白質(zhì)和其他的分子，因此大的三元復(fù)合物只能緩慢地通過。唯一讓它們快速達(dá)到的途徑就是擁有大量的三元復(fù)合物，因此其中之一或許能夠及時(shí)到達(dá)核糖體。生成更多的三元復(fù)合物轉(zhuǎn)而需要更多的核糖體。

細(xì)菌核糖體是許多抗生素的作用靶標(biāo)，新研究為了解細(xì)菌細(xì)胞對(duì)這些抗生素所產(chǎn)生的反應(yīng)奠定了理論基礎(chǔ)。例如，細(xì)胞通常在一定程度上通過生成更多的核糖體來補(bǔ)償核糖體功能下降。相似的經(jīng)濟(jì)限制預(yù)計(jì)也適應(yīng)于所有的快速增長和增殖的細(xì)胞，因此這些研究結(jié)果在未來或許也適應(yīng)于高等生物，尤其是癌細(xì)胞。