Un team di ricercatori, tra cui uno scienziato dell’Earth-Life Science Institute (ELSI) presso l’Istituto di Scienze di Tokyo in Giappone, ha identificato un nuovo principio in biologia che spiega matematicamente perché la crescita degli organismi viventi rallenta quando i nutrienti diventano abbondanti. Questo fenomeno ben noto è denominato “legge dei rendimenti decrescenti”.
Il modo in cui gli organismi crescono in risposta alle mutevoli condizioni dei nutrienti è da tempo una delle questioni centrali della biologia. In tutte le forme di vita – dai microbi alle piante e agli animali – la crescita dipende dall’accesso ai nutrienti, all’energia e al meccanismo interno delle cellule. Sebbene gli scienziati abbiano studiato come questi fattori influenzano la crescita, la maggior parte della ricerca si è concentrata su singoli nutrienti o specifici percorsi biochimici. Ciò che è rimasto poco chiaro è come tutti questi processi interconnessi all’interno di una cellula lavorino insieme per controllare la crescita quando le risorse sono limitate.
Un principio globale che unisce i sistemi viventi
Per esplorare questo mistero, il professore associato appositamente nominato dell’ELSI Tetsuhiro S. Hatakeyama e il ricercatore post-dottorato speciale del RIKEN Jumpei F. Yamagishi hanno scoperto un nuovo concetto unificante che descrive come tutte le cellule viventi gestiscono la crescita in condizioni di risorse limitate. Il loro lavoro introduce ciò che chiamano il principio di vincolo globale per la crescita microbica – un quadro che potrebbe rimodellare il modo in cui gli scienziati comprendono i sistemi biologici.
Sin dagli anni ’40, i microbiologi si sono affidati all'”equazione di Monod” per descrivere come crescono i microbi. Questo modello mostra che i tassi di crescita aumentano con l’aggiunta di nutrienti fino a stabilizzarsi. Tuttavia, l’equazione di Monod presuppone che solo una reazione nutritiva o biochimica alla volta limiti la crescita. In realtà, le cellule eseguono migliaia di processi chimici simultanei che devono condividere risorse limitate.
Una rete di vincoli all’interno di ogni cellula
Secondo Hatakeyama e Yamagishi, il modello tradizionale cattura solo una piccola parte di ciò che accade. Invece di un singolo collo di bottiglia, la crescita cellulare è modellata da una complessa rete di limitazioni che interagiscono per rallentare la crescita man mano che i nutrienti si accumulano. Il principio del vincolo globale spiega che quando un fattore limitante – come un nutriente – viene alleviato, altri vincoli come la produzione di enzimi, il volume cellulare o lo spazio della membrana iniziano a prendere il sopravvento.
Utilizzando una tecnica nota come “modellazione basata su vincoli”, il team ha simulato il modo in cui le cellule distribuiscono e gestiscono le risorse interne. I loro risultati hanno mostrato che mentre ogni nutriente aggiuntivo aiuta i microbi a crescere, il suo beneficio diminuisce gradualmente: ognuno contribuisce meno del precedente.
“La forma delle curve di crescita emerge direttamente dalla fisica dell’allocazione delle risorse all’interno delle cellule, piuttosto che dipendere da una particolare reazione biochimica”, spiega Hatakeyama.
Unire le leggi classiche della biologia
Questo nuovo principio riunisce due delle leggi fondamentali della crescita della biologia: l’equazione di Monod e la legge del minimo di Liebig. La legge di Liebig afferma che la crescita di una pianta è limitata dal nutriente più scarso (ad esempio, azoto o fosforo). Anche se tutti gli altri nutrienti sono abbondanti, la pianta può crescere solo quanto lo consente quello meno disponibile.
Unendo questi due concetti, i ricercatori hanno creato quello che chiamano un modello di “botte terrazzata”. In questo modello, nuovi fattori limitanti compaiono gradualmente man mano che aumenta la disponibilità di nutrienti. Ciò spiega perché gli organismi – dai microbi unicellulari alle piante complesse – sperimentano rendimenti di crescita decrescenti anche quando le condizioni sembrano ideali, poiché ogni nuova fase rivela un nuovo vincolo.
Hatakeyama paragona questo a una versione aggiornata della famosa analogia del barile di Liebig, in cui la crescita di una pianta è limitata dalla sua doga più corta, che rappresenta la risorsa più scarsa. “Nel nostro modello, le doghe della botte si estendono a gradini”, dice, “ogni passo rappresenta un nuovo fattore limitante che diventa attivo man mano che la cellula cresce più velocemente”.
Per testare la loro ipotesi, i ricercatori hanno costruito modelli computerizzati su larga scala Escherichia coli batteri. Questi modelli incorporavano dettagli su come le cellule utilizzano le proteine, quanto sono affollate al loro interno e i limiti fisici delle loro membrane. Le simulazioni hanno previsto con precisione il rallentamento osservato della crescita man mano che venivano aggiunte le sostanze nutritive e hanno mostrato come i livelli di ossigeno e azoto influenzassero i risultati. Esperimenti di laboratorio hanno confermato che le previsioni del modello corrispondevano al comportamento biologico reale.
Verso le leggi universali della crescita della vita
La scoperta offre un nuovo modo per comprendere come cresce la vita, senza la necessità di modellare ogni molecola o reazione in dettaglio. Il principio del vincolo globale fornisce un quadro che unifica molti aspetti della biologia. “Il nostro lavoro getta le basi per le leggi universali della crescita”, afferma Yamagishi. “Comprendendo i limiti che si applicano a tutti i sistemi viventi, possiamo prevedere meglio come le cellule, gli ecosistemi e persino l’intera biosfera rispondono ai cambiamenti ambientali.”
Questo principio potrebbe avere applicazioni di vasta portata. Potrebbe portare a una produzione microbica più efficiente nella biotecnologia, a migliori rese agricole attraverso una migliore gestione dei nutrienti e a modelli più forti per prevedere come gli ecosistemi rispondono ai cambiamenti climatici. La ricerca futura potrebbe esplorare come questo principio si applica a diversi tipi di organismi e come più nutrienti interagiscono per influenzare la crescita. Collegando la biologia cellulare con la teoria ecologica, questo studio avvicina la scienza a un quadro universale per comprendere i limiti di crescita della vita.
Istituto di scienze della vita terrestre (ELSI) è uno dei centri di ricerca più importanti del Giappone, World Premiere International (WPI). Mira a promuovere scoperte nella scienza interdisciplinare attirando i migliori ricercatori di tutto il mondo per collaborare su problemi scientifici impegnativi. La missione dell’ELSI si concentra sullo studio dell’origine e della coevoluzione della Terra e della vita.
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