分子机器通过处理DNA的遗传信息，将其转化为RNA，然后再转化为蛋白质，而它们本身也是由蛋白质和RNA组成的。一项关于这个过程中所涉及的自催化循环的新分析(曲线箭头)对细胞繁殖的速度提出了限制。 （图片来源：APS/Carin Cain）
繁殖是所有生物的特点之一。像动物和人类这样的多细胞生物，孩子将与其父母相似，而单细胞通过分裂复制自己。在细胞层面上，繁殖和自我复制一样都是通过分子机器合成细胞成分来实现的。尽管研究人员对这些分子机器的结构有着丰富的研究，我们却并不清楚这些结构在细胞生长上起的作用。现在以色列特拉维夫大学（Tel Aviv University）的Sarah Kostinski 和Shlomi Reuveni研究了细胞器核糖体的复制过程，并从中推导出细胞繁殖速度的限制。他们发现这种速度取决于核糖体的组成，尤其是RNA与蛋白质的比例，而在比例为2：1的时候细胞生长速度最快。这个结果表明了核糖体的设计并非进化上的偶然，也非核糖体化学作用的结果，相反地，核糖体通过精心的调整以最大化细胞生长。
核糖体是一种大分子复合物，它存在于所有细胞中，能合成蛋白质。要生产蛋白质，核糖体需要利用细胞的基因信息（从DNA转译到RNA）来正确连接氨基酸。细菌的核糖体包含大约50种蛋白质和3种RNA分子，这些分子都起着核糖体结构与催化的作用。较大的RNA占核糖体总质量的2/3。
动物细胞的基本结构，3为核糖体。图片来源：Wikipedia
核糖体与细胞成长息息相关。例如，在细菌培养中，核糖体浓度被发现线性依赖于细胞成长速度，直到某个最大值。这种线性关系体现于细菌细胞组成成分的定量表征中。这被称为生长规律，类似于物理学中的现象定律（如欧姆定律）。生长规律作为一个起点，可以帮助我们理解像蛋白质合成器这样的细胞如何分配资源来实现不同的功能。尽管对这个课题研究了超过60年，研究人员依然不理解是什么限制了细胞生长速度，现在Kostinski和Reuveni的新工作将帮助填补这项空缺。
在他们的研究中，两人将这种生长速度限制与核糖体的自催化联系起来。他们建立了一个模型来说明参与到细胞复制中两种分子机器核糖体与RNA聚合酶(合成RNA的分子机器)的活动。
这个模型考虑了分子机器自身的合成过程（见上图），包括两个自催化循环。第一个循环解释了核糖体的自循环过程，它会生产细菌所有蛋白质，包括核糖体中的蛋白质。第二个循环解释了核糖体合成RNA聚合酶，并进一步合成核糖体中的RNA过程。
小组给细胞生长速度提出了两个限制。第一个限制因素与第一个自催化循环有关，表明细胞复制速度不可能比一个核糖体为另一个核糖体生产完整的核糖体蛋白所需要的时间快，对此我们早已知晓。如果一个细胞还包含其他蛋白质（所有细胞都如此），复制这些另外的蛋白质会增加所谓的倍增时间（细胞完整复制所需的时间）。因此可以解释我们已知的细胞生长率（倍增时间的倒数）和所观察核糖体浓度之间的线性关系。
核糖体组装蛋白质分子聚合物，其序列由信使RNA分子控制。图片来源：Wikipedia
第二个限制因素来源于核糖体RNA的合成。基于这些研究，Kostinski 和 Reuveni发现倍增时间必须大于另一合成时间，即核糖体合成RNA聚合酶的时间加上RNA聚合酶合成每一核糖体RNA时间的几何平均。
共同地，两个速度限制将细胞生长与核糖体的组成联系在一起：当核糖体含有更多的蛋白质时，第一个速度限制较小。但与之相反的是，此时第二个速度限制就会更高。由于总速度限制是两者中更慢的，所以RNA与蛋白质的组成比例可以在两个速度限制之间形成平衡，以最大限度地促进细胞生长。对已知细菌大肠杆菌的研究, Kostinski 和 Reuveni在他们的两个速度限制方程中固定了所有其他参数，例如分子机器的活性率与两个分子的大小，然后发现最佳的RNA蛋白质的比例为2：1，这与在实验中观察到细菌核糖体的组成一致。这个实验结果证明了对细胞蛋白质合成机制的最佳设计与运用在细胞快速生长中有着至关重要的地位。
那么接下来是什么呢？进一步研究的一个方向是研究进化过程中是如何产生这些速度限制的。核糖体的组成在所有物种之间是大致相同的(除了线粒体中的核糖体)。但是不同物种之间的分子活性是不同的。如果2:1的比例是进化最优化的结果，那么其余参数应该与之一起进化。这个方向可以通过描绘这些参数在不同物种中是如何进化得到验证，这可能会为蛋白质合成机制的设计提供额外的限制。
这项研究发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
作者：Stefan Klumpp （德国哥廷根大学复杂系统动力学研究所）
翻译：王麟涛
审校：戴晨
引进来源：美国物理学会
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