导语
虽然参与能量转导的生化网络已得到充分表征，但特定细胞过程的能量本钱和限定仍旧在很大程度上未知。特殊是，细胞的能量预算是多少？能量流对细胞生命过程施加的约束和限定是什么？细胞是否在这些极限附近运行，如果是，能量限定如何影响细胞功能？物理学供应了许多工具来研究非平衡系统和定义物理极限，但将这些工具运用于细胞生物学仍旧是一个寻衅。近日揭橥于PNAS的一篇综述文章，研究者综述了「物理生物能量学」（Physical bioenergetics）这一位于非平衡物理学、能量代谢和细胞生物学交汇处的前沿领域，旨在理解细胞正在利用多少能量，它们在不同的细胞过程和干系的能量约束之间如何分配这种能量。
研究领域：生物物理，非平衡物理学，细胞能量代谢
Xingbo Yang、Matthias Heinemann、Jonathon Howard等 | 作者
赵雨亭 | 译者
刘培源 | 审校
邓一雪 | 编辑
原文地址：https://www.pnas.org/content/118/26/e2026786118
目录：
1. 开放性问题：细胞中的能量通货有多少？
2. 开放性问题：关键细胞过程的能量本钱是多少？
3. 开放性问题：能量通货在多大程度上限定了细胞过程？
4. 结论与展望：非平衡物理学如何阐明这些问题
本文中，研究职员回顾了最近的进展并谈论了物理生物能量学中的开放性问题和寻衅。
细胞在热力学平衡之外发挥浸染：它们利用代谢路子将物质和能量转化为细胞身分的构建块，并花费吉布斯能来为细胞过程供应动力。只管学界对生物合成和能量代谢的生归天学和细胞生物学有详细的理解[1-3]，但对细胞过程的能量本钱和限定知之甚少。
通过细胞的能量流动源于来自环境的吉布斯能的转化。能量流动的速率以能量通货为特色，可用于量化能量本钱。这些能量通货还可以对细胞过程施加限定——从成长[4]分子马达的活动[5-7]，到对细胞信息的促进停滞[8-10]。物理生物能量学处于非平衡物理学、能量代谢和细胞生物学之间的交界处。它试图理解能量细胞正在利用多少能量，同时如何将这些能量分配到不同的细胞过程中，以及干系的能量约束（图1）。与传统的生物能量学研究[11]不同，物理生物能量学通过利用非平衡物理学的工具来研究细胞的能量本钱和约束。将这些工具运用于细胞生物学面临着许多寻衅。细胞内的能量通货——例如5'-三磷酸腺苷 (ATP) ——会耦合许多细胞过程，因此很难阐明ATP生产和花费中涉及的所有生化反应。虽然这一困难可以通过粗粒度（Coarse-grained）的ATP周转模型来办理，但尚不清楚如何以系统的办法对繁芜的生化网络进行粗粒度的剖析。活性物质物理学供应了对细胞构造呈现动力学的见地，但很少明确考虑为这些动力学供应动力的能量通货[12-16]。随机热力学为细胞过程的熵产生和能量耗散供应了下限，但不知道细胞在靠近这些极限时运行的程度[17-21]。因此，物理生物能量学提出了将非平衡物理学中发展的理论和方法扩展到细胞生物学的寻衅。
在本文中，研究职员将回顾和谈论物理生物能量学中三个主要的开放性问题，并展示最近的进展和新涌现的寻衅。首先，细胞中的能量通货是多少，如何丈量它们？其次，关键细胞过程的能量本钱是多少？末了，能量通货在多大程度上限定了细胞过程？研究职员将通过解释性示例办理这些问题，并强调添加物理和物理方法如何帮助回答这些问题（图1）。
图1. 物理生物能量学位于细胞生物学、能量代谢和非平衡物理学的交界，旨在揭示细胞中的能量本钱和约束。它结合了来自每个领域的已有知识，以理解细胞利用多少能量、它们如何将这些能量分配到不同的细胞过程中，以及干系的能量限定。
1. 开放性问题：细胞中的能量通货有多少？
生命的定义特色之一是与环境的能量交流，其特色是能量的净流动。在细胞中，这些能量流产生于来自环境的吉布斯能的转换。这种能量在转化为生物质、热量或废物之前先转化为中间形式（例如ATP）（图2）。细胞过程的能量本钱可以通过这些过程的能量流动速率或能量通货来量化[22]。能量通货还可以对细胞过程施加约束，例如通过限定细胞的成长速率[4]或勾引细胞信息处理的速率-准确性权衡[8-10]。为了揭示细胞中的能量本钱和约束，丈量能量通货及其变革至关主要。在本节中，研究职员将回顾在环球层面和通过特定代谢路子丈量能量通货的技能，并将谈论这些技能的上风、局限性和干系寻衅。
全局能量通货可以通过丈量通过电位的净通量来量化，例如通过丈量耗氧率或产热率。细胞内能量通货通过特定路子，包括那些产生和花费ATP的路子，可以通过丈量代谢物的通量来量化。能量通货可以是动态的——例如对付细胞进展通过细胞周期[23,24]或发育期间[25–29]；或恒定——例如对付处于稳态的细胞、处在减数分裂II时结束的卵母细胞[30]。空间效应——例如代谢物或产生能量的细胞器的扩散和运输——也会影响通过细胞的能量通货[31-34]。由于能量通货的动态对细胞能量利用的变革很敏感，它们供应了细胞能量花费的主要指标[23,24,27,29]。
数十年的研究供应了大量关于代谢路子的详细信息，这些路子将来自环境的能量转化为可用于细胞天生的形式。只管现有反应的酶学已被很好地表征，但常日不清楚细胞利用多少能量以及这些能量如何分配到不同的细胞器前体中。细胞全局能量通货的一个组成部分是热通量。大量研究丈量了通过细胞的热通量，即细胞以通过所有细胞活动产生的热量的形式耗散能量的速率。热量的产生可以用瓦特或焦耳每秒的功率单位表示，它包含细胞中发生的所有生化反应的贡献。这种全局热通量代表了全局能量通货的焓部分，可以利用量热法进行丈量[23,24,27,35–40]。对付需氧生物，全局能量通货的另一个组成部分是利用呼吸丈量法丈量[41–43]得到的耗氧率（oxygen consumption rate，OCR）。OCR量可以阐明为在所有能量都通过呼吸得到的条件下的环球热通量，并且当与呼吸无关的氧花费可以忽略不计时[44,45]。由于呼吸的净化学反应等价于燃烧，当知足上述条件时，OCR与开释的热量成正比，称为桑顿法则（Thornton’s rule）[46]。因此，OCR丈量有时被称为间接量热法。
图2. 范例的细胞化学和能量通货示意图。能量通货代表来自环境的吉布斯能的转化率，例如从营养物质，通过细胞活动到废物、生物质或热量。灰色箭头表示通过单元的全局能量通货。整体能量通货的焓部分可以用细胞的产热率来衡量。对付有氧生物，OCR的丈量可以通过桑顿规则[46]与产热率干系联。细胞内能量通货由通过特定代谢路子的通量表示，例如产生和花费ATP的那些。
量热法和OCR的局限性在于它们都是全局丈量值，具有来自许多代谢路子的贡献，这使得丈量能量通货只能通过特定的细胞过程有条件地进行。这些全局丈量仅供应细胞内能量通货的间接读数。要理解细胞内能量通货，丈量通过特定路子的代谢通量至关主要。已运用放射性同位素14C标记等生化技能来丈量此类通量，例如光合成过程中的碳通量[47]。利用质谱法进行13C代谢通量剖析是用于丈量细胞内通量的紧张技能[48]。然而，这些技能涉及毁坏性采样，限定了活细胞丈量。因此，丈量活细胞中的细胞内通量仍旧是一个寻衅。
此外，险些所有代谢通量的丈量都是在细胞群上进行的，供应了均匀代谢通量的丈量，粉饰了个体细胞水平的固有变革。基于显微镜的单细胞丈量有助于深入理解随机细胞成长的机制[49,50]并揭示振荡代谢动力学[51]，证明单细胞丈量在揭示隐蔽在群体水平上的代谢异质性方面的主要性。
空间效应也可能在塑造细胞内能量通货方面发挥浸染。在胚胎发育过程中，糖酵解活性的梯度与细胞分解有关[52,53]。线粒体是关键的能量产生细胞器，已被不雅观察到与细胞骨架[31]和内质网[32]干系，并显示出细胞内膜电位[54]和线粒体DNA序列[55]的异质性，这意味着潜在的存在能量流的繁芜细胞内模式。糖酵解酶还与肌动蛋白细胞骨架干系联，使细胞能够将糖酵解通量与细胞机器环境的变革结合起来[56]。虽然包括ATP[57]、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH) [58]和葡萄糖[59]在内的代谢物浓度的亚细胞分布已通过荧光显微镜[57-64]进行表征，但这仍旧是一个寻衅以亚细胞分辨率丈量这些代谢物的通量。因此，细胞中能量通货的空间模式在很大程度上是未知的。哺乳动物卵母细胞供应了模型系统，个中可能存在能量通货的亚细胞空间模式[30,33,34]。由于它们相对较大的尺寸，由于局部ATP花费，例如纺锤体（图3A），可能会产生大量的细胞内5'-二磷酸腺苷（ADP）梯度。已经不雅观察到线粒体环绕着减数分裂纺锤体，这表明ATP的产生可能在空间上分布[33,34]。ATP[57]和ATP:ADP[60]生物传感器供应了强大的工具，可用于丈量这些代谢物的空间梯度。通过将这些丈量与ATP和ADP的理论反应扩散模型相结合，可以推断局部ATP产生和花费的相对速率。这种方法也可能用于估计局部过程利用了多少能量。
开拓能够以单细胞乃至亚细胞分辨率丈量特定路子的代谢通量的新技能将有助于揭示细胞中能量通货的动态。最近在这个方向上取得了本色性进展。已经开拓了一种基于乳液液滴粗化的剖析方法来监测单个酵母细胞的葡萄糖摄取率[65]。拉曼光谱是一种潜在的候选方法，可以用单细胞分辨率丈量养分接管率的时空不屈均性[66]。例如，这可以利用葡萄糖类似物在细胞的静默区显示光谱峰来完成[67]。履历或基于模型的推理方法是从代谢物浓度的荧光成像中得到具有亚细胞分辨率的代谢通量的潜在方法[30,64,68]。基于NADH氧化还原反应的模型已用于从NADH的亚细胞荧光寿命成像推断线粒体代谢通量决议[30]。
总之，虽然已经开拓了强大的技能来丈量能量通货，但丈量能量通货的动态变革和空间异质性仍旧存在局限性。因此，细胞之间和细胞内的能量通货的时空动态在很大程度上仍旧未知。为了弥合这一差距，须要以高时空分辨率丈量能量通货的技能。
2. 开放性问题：关键细胞过程的能量本钱是多少？
无数的细胞过程须要能量，常日以ATP的形式存在。虽然研究职员对细胞如何通过中枢代谢产生能量有相称好的理解[1,2]，但特定细胞过程的能量本钱却鲜为人知[69-71]。特定的细胞过程携带干系的能量本钱。这些本钱可以通过吉布斯能变革率来量化。量化吉布斯能变革的一种有用方法是打算细胞过程每单位韶光花费的ATP当量，即每次ATP水解的吉布斯能变革。或者，由于通过所有细胞过程的能量通货总和为细胞的全局能量通货，特定细胞过程的能量本钱可以通过与该过程干系的全局能量通货的分数来量化。细胞能量本钱包括生物合成[72]、旗子暗记传导[23、24、73、74]、坚持化学梯度[75]、纠错[8、9]、运动性[75]、基因调控[76、77]，和构建细胞构造，例如作为细胞骨架[22]。图3供应了三个有助于细胞能量进出的细胞过程示例：哺乳动物卵母细胞中的纺锤体自组织和染色体分离、成长细胞中的蛋白质合成和趋化性大肠杆菌中的觉得适应。一个公开的寻衅是丈量这种细胞过程的能量本钱。对细胞能量的打算不仅见告研究职员已知的过程，还见告研究职员可能忽略的过程。例如，KaiABC系统充当蓝藻昼夜节律振荡器，通过六聚体KaiC上的一系列磷酸化反应来保持韶光。虽然已知每个磷酸化-去磷酸化循环每个单体须要2个ATP，但实验丈量的ATP花费率显著每个单体16个ATP时更高。最近的一项理论研究表明，这种多余的能量并没有被大略地摧残浪费蹂躏掉——它可能卖力同步KaiABC复合物之间的状态，从而实现时钟之间的全局同步[78]。
细胞过程的能量本钱可以通过打算与过程干系的每个中间步骤每单位韶光花费的ATP等价物来估计。这种方法已用于通过剖析生物合成路子来估算建筑本钱，汇总每个中间步骤所需的ATP等价物数量[27、69、70]。这然后可以将每个步骤的ATP等价物计数与步骤速率的丈量值相结合，以估计构建组件的整体能耗速率。例如，通过总结每个中间步骤（包括氨基酸合成、转录和翻译）所需的ATP等价物数量，已运用ATP等价物的计数来估计成长细胞中蛋白质合成的能量本钱[69–72,79]（图3B）。这种ATP等价物的计数然后可以与蛋白质合成速率的丈量相结合，以估计与蛋白质合成干系的能量花费速率。该速率可以进一步与细胞的整体能量通货进行比较，以推断相对能量蛋白质合成本钱。这些估计在很大程度上依赖于理解过程中涉及的所有步骤、它们的速率以及所需的相应ATP等价物数量。对付一些特色较少的细胞过程，理解所有耦合步骤可能具有寻衅性。例如，全面确定真核细胞中染色体分离的能量本钱须要包括组装纺锤体、移动染色体、旗子暗记通报和纠错等能量本钱（图3A）。在缺少有关感兴趣过程的所有耦合过程的详细知识的情形下，很难估计过程的能量本钱。因此，要测试ATP计数的估计值是否完备考虑了能量本钱，须要直接丈量。
图3.有助于细胞能量进出的细胞过程示例。(A)哺乳动物卵母细胞中的纺锤体自组织和染色体分离。(B)在成长细胞中具有转录和翻译的蛋白质合成。(C)趋化性大肠杆菌中的感官适应，a和m分别代表自适应反馈网络中的输入、输出和掌握器[10]。
一种直接丈量过程能量本钱的方法是通过过程抑制。假设抑制一个目标过程不影响其他细胞过程的活动，目标过程的能量本钱可以被丈量为当目标过程被抑制时利用呼吸丈量法或量热法的全局能量通货的变革[22]。如何-一贯以来，抑制实验总是具有脱靶效应的潜力，并且可以改变与目标干系的其他过程的活性[80]。由于全局能量通货的变革反响了所有受影响过程的变革，目标过程与其他细胞过程之间的耦合可能会使此类丈量的阐明繁芜化。例如，抑制代表细胞ATP花费率很大一部分的过程可能会改变ATP浓度，这反过来可能会改变其他ATP花费路子的活动。在这种情形下，测得的全局能量通货变革除了来自受抑制过程的贡献外，还可能包括来自这些下贱效应的额外贡献。此外，全局能量通货可能不是由ATP利用者强加的能量需求唯一决定的，还取决于线粒体中ATP合成和质子泄露的速率[81]。因此，须要理解抑制浸染如何调节ATP合成和质子泄露，以估计此类实验的能量本钱。须要代谢掌握模型来理解ATP合成、质子泄露和ATP酶的耦合[45]。为了确定与给定细胞过程干系的真实能量本钱，须要一种组合方法，个中能量本钱是利用ATP等价物的计数和丈量特定过程抑制后全局能量通货的变革来丈量的[80]。
丈量发育过程中全局能量通货的变革也供应了有关细胞过程能量花费的信息。例如，量热法已被用于不雅观察在斑马鱼[24]和非洲爪蟾[23]胚胎发育过程中，由于细胞周期旗子暗记传导，胚胎产生的热量包含与细胞周期同步振荡的身分。理解胚胎发育过程中哪些生理变革对能量通货的动态有贡献仍旧是一个寻衅[27,29,82-84]。
上面考虑的能量本钱代表直接本钱，定义为给定细胞过程利用的ATP等价物的数量。在某些情形下，例如对付产生生物质的过程，间接机会本钱可能是干系的。机会本钱代表了如果代谢前体或还原中间体被用于天生ATP而不是生物质，本可以天生ATP[70]。虽然机会本钱不是直接的能量本钱，但它们可能对进化适应性产生影响，特殊是在碳有限的情形下，因此将碳转移到生物质的后果更为严重。理解如何将能量本钱与康健本钱联系起来是一个主要的开放性问题，它将物理生物能量学与进化细胞生物学联系起来[69,70,85-88]。
总体而言，虽然在估计细胞过程的能量本钱方面存在有希望的事情[22,69,70,78]，但细胞的能量预算在很大程度上仍未得到探索。从ATP计数和过程抑制估计能量本钱存在寻衅。战胜这些寻衅须要理解与感兴趣的过程干系的中间步骤，以及ATP生产和ATP花费之间的耦合。
3. 开放性问题：能量通货在多大程度上限定了细胞过程？
细胞过程由吉布斯能的耗散供应动力，能量耗散率可以对细胞过程施加限定。这些限定表示在细胞成长速率的限定[4]（图4A）、分子马达的效率[5-7]（图4B）以及细胞信息处理速率和准确性之间的权衡[8–10]（图4C）。在本节中，研究职员将详细谈论这些示例，并演示如何运用非平衡物理学中的工具来理解能量约束。
吉布斯能耗散率的内在限定可能对细胞成长率施加限定。最近有人建议，从呼吸到发酵的转变在高葡萄糖摄取率是由细胞吉布斯能耗散率的上限引起的，最大细胞成长率由该限定决定[4] (图4A)。这种征象的另一种阐明包括电子传输链酶在细胞膜中达到饱和浓度[89,90]和有效的蛋白质组分配[91]。折衷这些不同的阐明仍旧是一个寻衅。
随机热力学理论已被用于预测分子马达热力学效率的限定。热力学效率定义为有用的能量耗散速率，例如机器功率，除以总能量耗散率，例如来自ATP水解的能量耗散率。热力学不愿定性关系表明能量耗散限定非平衡系统稳态时的电流颠簸[19,92-94]。将此关系运用于抵抗外力或扭矩的分子马达，例如在粘性环境中移动货色，可以预测热力学效率的通用上限[95]（图4B）。
Harada-Sasa等式将能量耗散率与颠簸相应关系的违反程度干系联，已被用于估计单个驱动蛋白电机的效率为20%[5]。比较之下，旋转电机F1-ATPase已被建议以靠近100%的效率运行[6,7]。对这两种电机效率之间形成光鲜比拟的候选阐明调用了它们动力学的可逆性[5]。虽然两个电机在向前迈进时都会花费ATP，但F1-ATPase可以在向后旋转时合成ATP。因此，与驱动蛋白相反，这些退却撤退步骤的能量是可以守恒的。理解运动效率的进化压力是一个生动的研究领域[96]。
非平衡物理理论也预测了受能量耗散率约束的生化回路中的权衡。在DNA复制等过程中，核苷酸供应的吉布斯能在复制速率、复制精度、和能量耗散[9]。动力学校对是一种以能量花费为代价的生归天学反应纠错机制，对付许多细胞过程的质量掌握和准确性很主要[8,97]。跟踪能量花费并理解能量耗散如何有助于提高细胞中信息处理的灵敏度和速率和/或准确性，既是一项实验寻衅，也是一项理论寻衅[8,10,74,76,77,98-103]。关于生化网络中能量-性能权衡的新见地使生物网络的有用设计原则得以识别，以有效地实现其目标功能[78、104、105]。例如，在大肠杆菌的化学感应适应过程中，Gibbs能量耗散是必要的，必须花费能量以适应化学领导物浓度的变革，同时保持化学感想熏染器的敏感性（图3C）。反馈网络的粗粒度模型预测了感官适应中的一样平常能量-速率-准确度权衡关系。该模型在不影响饥饿大肠杆菌的适应精度的情形下预测了适应速率的降落，这已在实验中得到证明[10] (图4C)。
图4. 能量通货对细胞过程施加的限定和约束示例。(A)：已经提出了用于成长大肠杆菌和酵母的Gibbs能量耗散率的限定。在这个模型中，当Gibbs能量耗散率达到靠近此限定，最大细胞成长速率由此限定决定[4]。(B)：热力学不愿定性关系预测分子马达能量效率的上限[95]。v、f、D、kB和T分别代表速率、力、扩散常数、玻尔兹曼常数和温度。(C)：粗粒度自适应反馈模型预测感官适应期间的能量-速率-准确度权衡，包括细菌趋化性、酵母渗透传感、嗅觉适应和视紫质适应[10]。c0和ε0依赖于系统常数，σa2是活动“a”颠簸的方差，ωm是适应速率，ε是适应偏差。
这些例子强调了能量约束在理解细胞成长速率的极限、分子马达的效率和细胞信息处理中的速率-准确度权衡方面的浸染，同时提出了更多问题。能量约束在多大程度上存在对付其他细胞过程？如果给定过程存在能量约束，细胞是否在该极限附近运行？办理这些问题须要结合定量丈量和基于非平衡物理学的新理论的发展。非平衡动力学[106-109]和随机热力学[17-21]的最新进展为研究非平衡过程和定义物理极限供应了工具。这些工具有助于量化非平衡系统中的熵产生[110-115]、能量耗散[18、19、92、116、117]、功[118、119]和自由能转换[120]。将热力学事理运用于代谢网络导致创造了对代谢通量的能量限定[4,121–123]。已经开拓了新的实验和理论方法，通过量化详细平衡的毁坏[124-126]和不可逆性[127,128]来识别生物系统中的非平衡动力学。颠簸-耗散关系的违反也被用于量化单次能量耗散。量化分子水平的单次能量花费[5]。将这些理论运用于细胞生物学以理解能量耗散和细胞功能之间的相互关系仍旧是一个寻衅[129-136]。
4. 结论与展望：非平衡物理学如何阐明这些问题物理生物能量学旨在揭示细胞中的能量本钱和约束，利用非平衡物理学中的工具并将其运用于细胞生物学和能量方面的开放性问题代谢。物理生物能量学的中央主题是理解细胞利用多少能量，它们如何将这些能量分配到不同的细胞过程中，以及干系的能量性约束。正在开拓新技能以研究具有单细胞和亚细胞分辨率的能量通货[30,57,59–64,67,137]，这使得研究能量通货与亚细胞过程之间的干系性成为可能。非平衡物理学供应了新的工具来阐明这些丈量的动力学[106-108]、熵产生[21、111、112、115]、能量耗散[18、19、92、116、117]及其与呈现动力学的干系性细胞构造[13、14、124、126、128]。
只管最近取得了这些进展，但物理生物能量学仍旧存在寻衅和机遇。实验家和理论家面临着理解细胞如何利用能量来构建细胞构造和驱动细胞过程的寻衅。研究职员如何最有效地定义和丈量时空能量通货，并将其与细胞和亚细胞尺度上的效率、焓、熵和吉布斯能耗散等物理量联系起来？研究职员是否对细胞过程的生归天学和速率有足够的定量知识，以便打算它们在细胞能量预算内的能量利用和大小？能量耗散率对细胞过程有哪些限定和权衡，以及对细胞功能产生的后果是什么？
非平衡物理学与来自生归天学和细胞生物学的方法相结合，供应了有望办理这些问题的其他工具。将这些工具运用于细胞系统对实验家和理论家来说都是一个开放的寻衅，须要扩展现有的物理理论并开拓新的实验方法。物理生物能量学为这些理论供应了一个试验场，并将为非平衡物理学的发展供应信息例如，将随机热力学运用于分子马达已经揭示了其效率的限定[5-7]（图4B），但目前尚不清楚马达是否在细胞中的预测极限附近运行。活性物质物理学有助于为由能量通货产生的细胞构造的丰富时空动力学供应定量框架，但很少直接研究能量通货本身。由于细胞中的能量通货并不总是恒定的，因此考虑能量通货动力学和细胞构造动力学之间的相互浸染很主要。（图3A）[12、138-140]。
建模细胞系统的另一个基本寻衅在于系统地开拓繁芜代谢网络的征象学和粗粒度模型。通过结合所有已知的干系代谢路子，常常构建打算模型来研究代谢网络[141-143]。虽然这些模型为代谢供应了许多主要的见地，但它们常日依赖于大量参数，这些参数可能高度依赖高下文并且难以在体内丈量。粗粒度和征象学模型是建模的潜在有用工具有效参数很少的代谢网络。这种方法已被证明在许多领域都很有用。例如，主动-在物质物理学中，细胞骨架动力学可以通过场理论利用很少的征象学参数很好地描述，而无需详细理解系统的微不雅观特性[12,13,15,16,144,145]。还开拓了粗粒度详细微不雅观模型的技能，以得到这些系统的流体动力学模型[146-149]。这种粗粒度建模方法已开始运用于建模细胞能量流[30,89,91,150–154]。这种粗粒度的征象学定律可潜在地用于阐明由OCR[28,43]和产热率[23,24]丈量的全局能量通货的变革，并供应对细胞能量利用的见地。
研究职员怎么知道自己是否完美地回答了这个角度提出的开放性问题？归结为利用理论模型进行定量预测并在细胞中进行实验测试。例如，研究职员能否预测特定细胞过程的能量本钱？研究职员能预测细胞构造的动力学行为吗？研究职员能预测细胞过程的干系能量极限吗？研究职员能否整合这些信息来对细胞特色的演化做出可测试的预测？总体而言，物理生物能量学为跨学科的科学家供应了一个机会，可以将最近的实验和理论进展结合起来，并办理从这个新视角产生的新问题和寻衅。
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来源：集智俱乐部
