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细胞如何产生并利用能量？这个问题看似简单，但答案却并非如此。此外，了解微生物细胞工厂如何消耗能量以及分配蛋白质，这在工业发酵过程中至关重要。

近日，发表在美国国家科学院院刊（PNAS）上的一项研究表明，通过优化发酵条件，可以引起大肠杆菌和面包酵母从发酵到呼吸的代谢转变。这种转变可以推动细胞产生更多的内部能量（ATP）。

该研究通讯作者、瑞典查尔莫斯理工大学教授、丹麦技术大学诺和诺德生物可持续性基金会的科研主任Jens Nielsen说：“这一信息可以用于设计改进的新型细胞工厂。”

细胞不断从葡萄糖中产生一种被称为ATP的高能分子。ATP被细胞内的酶消耗掉，酶利用这种能量构造生物质或者完成其他细胞工作。在其他因素相同的情况下，可用的ATP越多，微生物在发酵过程中就表现得越好。

研究人员通过一种计算方法发现ATP可以通过两种途径产生：高产量呼吸途径（每个葡萄糖分子产生23.5个ATP）和低产量发酵途径（每个葡萄糖分子产生11个ATP）。

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这两种途径相互补充，但是研究人员发现，改变发酵环境以及糖和蛋白质的数量，可以改变这两者之间自然的平衡。此外，他们还证实，在相同的速率下，高产量途径比低产量途径需要更多的蛋白质。

他们还发现，通过一些手段，提高一些关键酶的活性，能使细胞产生从低产量的发酵到高产量呼吸的代谢转变。这种转变既能够产生更多的细胞内ATP，也避免了发酵副产物的积累，比如大肠杆菌内的乙酸盐和面包酵母中的乙醇。

此外，研究人员还发现，表现最佳的细胞实际上同时使用了两种途径，不仅仅是高产的途径，而且更多的蛋白质意味着在特定途径中效率更高。