Команда исследователей, в состав которой вошел ученый из Института наук о Земле и жизни (ELSI) при Токийском институте науки в Японии, выявила новый биологический принцип. Он математически объясняет, почему рост живых организмов замедляется, даже когда питательных веществ становится в избытке. Это явление хорошо известно как «закон убывающей отдачи».
Вопрос о том, как организмы растут в ответ на изменение условий среды, давно находится в центре внимания биологов. От микробов до растений и животных –– все формы жизни зависят от доступа к питательным веществам, энергии и внутренней клеточной машинерии. Хотя ученые изучали влияние этих факторов на рост, большинство исследований концентрировались на отдельных нутриентах или конкретных биохимических процессах. Оставалось неясным, как все эти взаимосвязанные процессы внутри клетки координируют рост в условиях ограниченных ресурсов.
Стремясь разгадать эту загадку, доцент Тэцухиро С. Хатакеяма из ELSI и специальный постдокторант Рикена Джумпей Ф. Ямагиси обнаружили новую объединяющую концепцию. Она описывает, как все живые клетки управляют ростом в условиях ограниченных ресурсов. Их работа представляет так называемый «глобальный принцип ограничения» микробного роста –– концепцию, способную изменить понимание биологических систем.
С 1940-х годов микробиологи опирались на «уравнение Моно», описывающее рост микробов. Эта модель показывает, что скорость роста увеличивается с добавлением питательных веществ до определенного момента, а затем стабилизируется. Однако уравнение Моно предполагает, что в любой момент времени рост ограничивает лишь один нутриент или биохимическая реакция. В действительности клетки осуществляют тысячи одновременных химических процессов, которые должны делить между собой конечные ресурсы.
По мнению Хатакеямы и Ямагиси, традиционная модель отражает лишь малую часть происходящего. Вместо единственного «бутылочного горлышка» рост клеток формируется сложной сетью ограничений, которые взаимодействуют, замедляя рост по мере накопления питательных веществ. Глобальный принцип ограничения объясняет, что когда один лимитирующий фактор –– например, питательное вещество –– устраняется, на его место приходят другие ограничения, такие как производство ферментов, объем клетки или пространство клеточной мембраны.
Используя метод, известный как «моделирование на основе ограничений», команда ученых имитировала, как клетки распределяют и управляют внутренними ресурсами. Их результаты показали: хотя каждое дополнительное питательное вещество способствует росту микробов, его польза постепенно снижается –– каждый новый вклад оказывается меньшим, чем предыдущий.
«Форма кривых роста напрямую вытекает из физики распределения ресурсов внутри клеток, а не зависит от какой-либо конкретной биохимической реакции», –– объясняет Хатакеяма.
Этот новый принцип объединяет два основополагающих закона биологического роста: «уравнение Моно» и «закон минимума Либиха». Закон Либиха гласит, что рост растения ограничивается тем питательным веществом, которого меньше всего (например, азотом или фосфором). Даже если все остальные питательные вещества в изобилии, растение может расти лишь настолько, насколько это позволяет самый дефицитный элемент.
Объединяя эти две концепции, исследователи создали модель, которую они назвали «террасированной бочкой». В этой модели новые лимитирующие факторы появляются поэтапно по мере увеличения доступности питательных веществ. Это объясняет, почему организмы –– от одноклеточных микробов до сложных растений –– испытывают убывающую отдачу от роста даже в, казалось бы, идеальных условиях: каждый новый этап выявляет свежее ограничение.
Хатакеяма сравнивает это с обновленной версией знаменитой аналогии Либиха о бочке, в которой рост растения ограничен самой короткой доской, представляющей самый дефицитный ресурс. «В нашей модели доски бочки раздвигаются ступенями, –– говорит он, –– каждая ступень представляет собой новый лимитирующий фактор, который активизируется по мере ускорения роста клетки».
Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи построили крупномасштабные компьютерные модели бактерии Escherichia coli. Эти модели включали детали о том, как клетки используют белки, насколько плотно они упакованы внутри, и физические пределы их мембран. Симуляции точно предсказали наблюдаемое замедление роста при добавлении питательных веществ и показали, как уровни кислорода и азота влияют на результаты. Лабораторные эксперименты подтвердили, что предсказания модели соответствуют реальному биологическому поведению.
Это открытие предлагает новый подход к пониманию того, как растет жизнь, без необходимости детального моделирования каждой молекулы или реакции. Глобальный принцип ограничения предоставляет основу, которая объединяет многие аспекты биологии. «Наша работа закладывает основу для универсальных законов роста», –– утверждает Ямагиси. –– «Понимая пределы, применимые ко всем живым системам, мы можем лучше предсказывать, как клетки, экосистемы и даже целые биосферы реагируют на меняющиеся условия».
Этот принцип может иметь далекоидущие последствия. Он способен привести к более эффективному микробному производству в биотехнологии, повышению урожайности сельскохозяйственных культур благодаря лучшему управлению питательными веществами и созданию более надежных моделей для прогнозирования реакции экосистем на изменение климата. Будущие исследования могут изучить, как этот принцип применяется к различным типам организмов и как множество питательных веществ взаимодействуют, влияя на рост. Соединяя клеточную биологию с экологической теорией, это исследование приближает науку к универсальной концепции понимания пределов роста жизни.
Институт наук о Земле и жизни (ELSI) –– один из ведущих научно-исследовательских центров Японии в рамках программы World Premiere International (WPI). Он стремится к прорывам в междисциплинарной науке, привлекая ведущих исследователей со всего мира для совместной работы над сложными проблемами. В миссию ELSI входит изучение происхождения и коэволюции Земли и жизни.
Токийский институт науки (Science Tokyo) был создан 1 октября 2024 года в результате слияния Токийского медицинского и стоматологического университета (TMDU) и Токийского технологического института (Tokyo Tech). Его миссия –– «Развитие науки и благополучия человека для создания ценности для общества и вместе с ним».
Инициатива Японии World Premier International Research Center (WPI), запущенная в 2007 году Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий (MEXT), поддерживает сеть элитных исследовательских центров, которые работают с высокой степенью независимости и глобального сотрудничества. Программа управляется Японским обществом содействия развитию науки (JSPS).
RIKEN, крупнейший исследовательский институт Японии в области фундаментальных и прикладных наук, ежегодно публикует более 2500 статей в ведущих журналах по физике, химии, биологии, инженерии и медицине. Известный своим междисциплинарным и международным подходом, RIKEN заслужил всемирную репутацию за научное превосходство.
