1931年，德國醫生、生理學家和生物化學家奧托·海因裡希·瓦爾堡因發現癌細胞——不同於大多數健康的人體細胞，後者透過呼吸作用利用氧氣產生能量——即使在有氧氣的情況下，也偏愛厭氧發酵過程，或將糖轉化為酸、氣體或酒精，而獲得了諾貝爾獎。這讓科學家們一直感到困惑，因為發酵是一種效率遠低於有氧代謝的能量產生方式，因此它被貶義地貼上了“浪費性代謝”的標籤。
但來自加州大學聖地亞哥分校的一個科學家團隊發現，儘管基於氧氣的代謝是一種更有效的能量生產方式，但生產驅動呼吸作用的分子機器所需的成本是發酵糖葡萄糖所需成本的兩倍。他們的工作可能對識別治療癌症的潛在靶點具有意義。
該團隊測量了所謂的蛋白質組分配——或分配給各種任務的所有細胞蛋白質的比例——以確定在大腸桿菌細菌中產生能量和細胞生長的代謝成本。促進呼吸作用的酶——通常支援人類細胞生命的原始機器——體積龐大且笨重，需要大量生產才能維持我們以及我們穩定增長的細胞的運轉。換句話說，快速生長的細胞蛋白質組中，較高比例用於生長，而較小比例可用於其他細胞過程，包括能量產生。
支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
加州大學聖地亞哥分校物理學和生物學教授特里·華領導了這項研究，他將最近發表在自然雜誌上的研究結果比作煤炭與核能。“煤炭工廠的能源生產效率低於核電站，按碳計算，但它們的建造成本要便宜得多，”他在一份宣告中說。因此，選擇哪種途徑產生能量取決於煤炭的可用性和用於建造發電廠的可用預算。”快速生長的細胞發現發酵是更便宜的途徑。從這個意義上說，它是細胞的煤炭能源。（大眾科學是自然出版集團的一部分。）
細胞代謝和生長可能基於產生能量和生長所需蛋白質的成本效益平衡，這一觀點是由荷蘭理論生物學家團隊在2009年首次提出的。華的研究結果證實了這些發現。儘管主流觀點認為癌症是一種遺傳疾病——或者實際上是由無數可能的突變引起的複雜疾病——但一些研究人員開始接受這樣一種觀點，即最終的病理損害可能是能量產生受損或改變。
波士頓學院的生物學家托馬斯·賽弗裡德沒有參與這項研究，他認為癌症是一種代謝紊亂，並引用了大量證據表明線粒體功能障礙與癌症有關。線粒體——或我們細胞的“動力源”——是細胞能量產生的地方。“現在有來自廣泛學科的大量證據表明，所有型別的腫瘤細胞線上粒體的數量、結構或功能上都存在一定程度的缺陷。賽弗裡德解釋說：“這些線粒體缺陷導致腫瘤細胞中葡萄糖攝取增強和發酵。”
在賽弗裡德及其同事2014年發表在Carcinogenesis雜誌上的一篇論文中，他引用了充分的證據來支援他的觀點，包括表明如果將細胞移植到正常的線粒體中，細胞的腫瘤潛力就會受到抑制；相反，將腫瘤細胞的線粒體轉移到正常細胞的細胞質中會增加那些曾經正常的細胞變成癌細胞的機會。他還指出了大量將病因點聯絡起來的工作：許多與癌症相關的突變基因似乎透過損害細胞呼吸作用來發揮其作用。賽弗裡德強烈認為，從呼吸作用到發酵的轉變也可能產生自由基，從而導致與癌症相關的基因突變。
賽弗裡德還提出了癌細胞中發酵的可能進化解釋，他引用了塔夫茨大學的卡洛斯·索恩內申和安娜·索托的工作，他們表明細胞的預設狀態是像癌細胞那樣增殖，而線粒體中的有氧呼吸通常有助於控制這種生長。“在氧氣大約在20億年前進入大氣層之前，由發酵代謝驅動的不受約束的增殖是大多數細胞的生存狀態，”他解釋說。“呼吸控制的逐漸喪失以及代償性發酵是癌症起源的基礎。”
能量產生與癌症之間的關聯可能遠未完全理解，儘管華警告說他不是癌症生物學家，但他認為追求干擾代謝的治療方法肯定有希望。“我可以看到，干擾發酵可能是減緩腫瘤生長的有效策略，”他解釋說，“因為生長緩慢的細胞更依賴呼吸作用來產生能量——那麼，原則上，這種治療策略自然比正常細胞更能破壞快速生長的癌細胞。”
當前的癌症治療強調幹擾可能導致細胞不受控制生長的細胞訊號通路。“但是從這項研究來看，”華說，“[我們發現]也許我們不需要如此關注訊號傳導，而是可以努力減緩發酵過程的效率。然後我們可以指望癌細胞的生長速度減慢，因為它們轉向呼吸作用。”
隨著越來越多與不同癌症相關的突變被發現，開發腫瘤療法似乎是一項西西弗斯式的任務。但是，單一的病理學——一種可能導致與癌症相關的突變的病理學——可能會使開發有效的癌症療法變得容易得多。
正如奧托·瓦爾堡近一個世紀前的工作所暗示的那樣，也許這僅僅需要鼓勵癌症呼吸一口新鮮空氣。