Piwo, wino, jogurty - wszystko to zawdzięczamy procesom fermentacji prowadzonym przez rozmaite, szybko rozwijające się mikroorganizmy w warunkach braku tlenu. Czemu jednak bakterie czy drożdże uciekają się do tej metody wytwarzania energii nawet w warunkach kiedy tlen jest dostępny i kiedy zwykłe oddychanie byłoby znacznie bardziej wydajne? To pytanie naukowcy zadawali sobie od blisko stu lat. Fizycy i biolodzy z University of California w San Diego znaleźli na nie odpowiedź. Zrozumieli tym samym, dlaczego natura dała nam alkohol.
Bakterie czy drożdże dokonują w warunkach beztlenowych przemiany cukrów w alkohol, dwutlenek węgla i miedzy innymi kwas octowy. Te procesy człowiek bardzo szybko nauczył się wykorzystywać i zbudował na nich niejedną gałąź przemysłu. Już w latach 20. minionego stulecia wybitny biolog, laureat nagrody Nobla Otto Wartburg zaobserwował ten proces także w komórkach nowotworowych i po raz pierwszy wprost zadał sobie pytanie, dlaczego jest tak powszechny mimo, że w jego wyniku powstaje wiele na pozór niepotrzebnych produktów.
W najnowszym numerze czasopisma "Nature" grupa fizyków i biologów z UC San Diego udziela na to pytanie odpowiedzi i wyjaśnia, że bakterie, czy drożdże tak chętnie zajmują się fermentacją, bo ten proces okazuje się dla nich korzystny z nieco innego względu. Kluczowy okazuje się koszt wytwarzania enzymów. Te potrzebne do oddychania wymagają poważniejszego zaangażowania komórkowej maszynerii, niż te potrzebne przy fermentacji. Jeśli komórki rosną szybko, tak jak bakterie, drożdże, czy właśnie komórki nowotworowe, mogą uznać, że oddychanie tlenowe im się z tego względu nie opłaca, szkoda na nie czasu i wysiłku.
Wyniki badań prowadzonych na koloniach bakterii E. coli pozwoliły dokładnie ocenić rachunek zysków i strat. To co odkryliśmy można porównać do różnicy kosztów wytwarzania energii przez elektrownie węglową i nuklearną - mówi szef zespołu, profesor Terry Hwa. Elektrownie węglowe wytwarzają energie znacznie mniej wydajnie, niż nuklearne, ale znacznie taniej można je zbudować. Decyzja o tym, którą drogą pójść zależy więc od dostępności węgla z jednej strony i budżetu, jaki możemy na konstrukcję elektrowni przeznaczyć - dodaje.
Komórki też muszą dokonać podobnego bilansu kosztów - tłumaczy Hwa. Oddychanie daje na atom węgla więcej energii, niż fermentacja. Jednak do tworzenia enzymów potrzebnych do oddychania, większych i działających wolniej, niż te potrzebne do fermentacji, komórki muszą zatrudnić więcej rybosomów. Jeśli mają do dyspozycji wiele substancji odżywczych i dzielą się szybko, fermentacja opłaca się bardziej. Jeśli węgla brakuje i rozwój kolonii jest powolny, rybosomy nie są potrzebne do innych celów, można tworzyć bardziej złożone enzymy i zająć się oddychaniem - zauważa.
Hipotezę, że podobna zależność może wpływać na prędkość wzrostu komórek sformułowano przed laty w Holandii. Badacze z UC San Diego po raz pierwszy policzyli teraz, że koszt wytworzenia enzymów potrzebnych do oddychania tlenowego jest praktycznie dwukrotnie wyższy, niż koszt syntezy enzymów wykorzystywanych do fermentacji.
Autorzy pracy nie wykluczają, że ich odkrycie może rzucić światło także na mechanizmy sterujące chorobami nowotworowymi. Być może procesy zachodzące w komórkach rakowych nie są wyrazem jakichś nieprawidłowości, ale ogólnej strategii przetrwania komórek, które szybko się mnożą. Jeśli tak, być może trzeba popatrzeć na chorobę nowotworową i poszukiwania metod jej terapii pod nieco innym kątem, niż dotychczas.