1931年，德国医生、生理学家和生物化学家奥托·海因里希·瓦尔堡因发现癌细胞——不同于大多数健康的人体细胞，后者通过呼吸作用利用氧气产生能量——即使在有氧气的情况下，也偏爱厌氧发酵过程，或将糖转化为酸、气体或酒精，而获得了诺贝尔奖。这让科学家们一直感到困惑，因为发酵是一种效率远低于有氧代谢的能量产生方式，因此它被贬义地贴上了“浪费性代谢”的标签。
但来自加州大学圣地亚哥分校的一个科学家团队发现，尽管基于氧气的代谢是一种更有效的能量生产方式，但生产驱动呼吸作用的分子机器所需的成本是发酵糖葡萄糖所需成本的两倍。他们的工作可能对识别治疗癌症的潜在靶点具有意义。
该团队测量了所谓的蛋白质组分配——或分配给各种任务的所有细胞蛋白质的比例——以确定在大肠杆菌细菌中产生能量和细胞生长的代谢成本。促进呼吸作用的酶——通常支持人类细胞生命的原始机器——体积庞大且笨重，需要大量生产才能维持我们以及我们稳定增长的细胞的运转。换句话说，快速生长的细胞蛋白质组中，较高比例用于生长，而较小比例可用于其他细胞过程，包括能量产生。
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加州大学圣地亚哥分校物理学和生物学教授特里·华领导了这项研究，他将最近发表在自然杂志上的研究结果比作煤炭与核能。“煤炭工厂的能源生产效率低于核电站，按碳计算，但它们的建造成本要便宜得多，”他在一份声明中说。因此，选择哪种途径产生能量取决于煤炭的可用性和用于建造发电厂的可用预算。”快速生长的细胞发现发酵是更便宜的途径。从这个意义上说，它是细胞的煤炭能源。（大众科学是自然出版集团的一部分。）
细胞代谢和生长可能基于产生能量和生长所需蛋白质的成本效益平衡，这一观点是由荷兰理论生物学家团队在2009年首次提出的。华的研究结果证实了这些发现。尽管主流观点认为癌症是一种遗传疾病——或者实际上是由无数可能的突变引起的复杂疾病——但一些研究人员开始接受这样一种观点，即最终的病理损害可能是能量产生受损或改变。
波士顿学院的生物学家托马斯·赛弗里德没有参与这项研究，他认为癌症是一种代谢紊乱，并引用了大量证据表明线粒体功能障碍与癌症有关。线粒体——或我们细胞的“动力源”——是细胞能量产生的地方。“现在有来自广泛学科的大量证据表明，所有类型的肿瘤细胞在线粒体的数量、结构或功能上都存在一定程度的缺陷。赛弗里德解释说：“这些线粒体缺陷导致肿瘤细胞中葡萄糖摄取增强和发酵。”
在赛弗里德及其同事2014年发表在Carcinogenesis杂志上的一篇论文中，他引用了充分的证据来支持他的观点，包括表明如果将细胞移植到正常的线粒体中，细胞的肿瘤潜力就会受到抑制；相反，将肿瘤细胞的线粒体转移到正常细胞的细胞质中会增加那些曾经正常的细胞变成癌细胞的机会。他还指出了大量将病因点联系起来的工作：许多与癌症相关的突变基因似乎通过损害细胞呼吸作用来发挥其作用。赛弗里德强烈认为，从呼吸作用到发酵的转变也可能产生自由基，从而导致与癌症相关的基因突变。
赛弗里德还提出了癌细胞中发酵的可能进化解释，他引用了塔夫茨大学的卡洛斯·索恩内申和安娜·索托的工作，他们表明细胞的默认状态是像癌细胞那样增殖，而线粒体中的有氧呼吸通常有助于控制这种生长。“在氧气大约在20亿年前进入大气层之前，由发酵代谢驱动的不受约束的增殖是大多数细胞的生存状态，”他解释说。“呼吸控制的逐渐丧失以及代偿性发酵是癌症起源的基础。”
能量产生与癌症之间的关联可能远未完全理解，尽管华警告说他不是癌症生物学家，但他认为追求干扰代谢的治疗方法肯定有希望。“我可以看到，干扰发酵可能是减缓肿瘤生长的有效策略，”他解释说，“因为生长缓慢的细胞更依赖呼吸作用来产生能量——那么，原则上，这种治疗策略自然比正常细胞更能破坏快速生长的癌细胞。”
当前的癌症治疗强调干扰可能导致细胞不受控制生长的细胞信号通路。“但是从这项研究来看，”华说，“[我们发现]也许我们不需要如此关注信号传导，而是可以努力减缓发酵过程的效率。然后我们可以指望癌细胞的生长速度减慢，因为它们转向呼吸作用。”
随着越来越多与不同癌症相关的突变被发现，开发肿瘤疗法似乎是一项西西弗斯式的任务。但是，单一的病理学——一种可能导致与癌症相关的突变的病理学——可能会使开发有效的癌症疗法变得容易得多。
正如奥托·瓦尔堡近一个世纪前的工作所暗示的那样，也许这仅仅需要鼓励癌症呼吸一口新鲜空气。