Cientistas descobrem uma lei universal oculta que limita o crescimento da vida

Como os organismos crescem em resposta às mudanças nas condições nutricionais tem sido uma das questões centrais da biologia. Em todas as formas de vida – desde micróbios a plantas e animais – o crescimento depende do acesso a nutrientes, energia e à maquinaria interna das células. Embora os cientistas tenham estudado como esses fatores afetam o crescimento, a maioria das pesquisas concentrou-se em nutrientes individuais ou em vias bioquímicas específicas. O que ainda não está claro é como todos esses processos interligados dentro de uma célula funcionam juntos para controlar o crescimento quando os recursos são limitados.

Um princípio global que une os sistemas vivos

Para explorar este mistério, o professor associado especialmente nomeado do ELSI, Tetsuhiro S. Hatakeyama, e o pesquisador especial de pós-doutorado da RIKEN, Jumpei F. Yamagishi, descobriram um novo conceito unificador que descreve como todas as células vivas gerenciam o crescimento sob restrições de recursos. Seu trabalho apresenta o que eles chamam de princípio de restrição global para o crescimento microbiano – uma estrutura que poderia remodelar a forma como os cientistas entendem os sistemas biológicos.

Desde a década de 1940, os microbiologistas confiam na “equação Monod” para descrever como os micróbios crescem. Este modelo mostra que as taxas de crescimento aumentam com a adição de nutrientes até se estabilizarem. No entanto, a equação de Monod assume que apenas um nutriente ou reação bioquímica limita o crescimento de cada vez. Na realidade, as células realizam milhares de processos químicos simultâneos que devem partilhar recursos finitos.

Uma rede de restrições dentro de cada célula

Segundo Hatakeyama e Yamagishi, o modelo tradicional capta apenas uma pequena parte do que está acontecendo. Em vez de um único gargalo, o crescimento celular é moldado por uma complexa rede de limitações que interagem para retardar o crescimento à medida que os nutrientes se acumulam. O princípio da restrição global explica que quando um fator limitante – como um nutriente – é aliviado, outras restrições como a produção de enzimas, o volume celular ou o espaço da membrana começam a assumir o controle.

Usando uma técnica conhecida como “modelagem baseada em restrições”, a equipe simulou como as células distribuem e gerenciam recursos internos. Os resultados mostraram que, embora cada nutriente adicional ajude os micróbios a crescer, o seu benefício diminui gradualmente – cada um contribui menos que o anterior.

“A forma das curvas de crescimento emerge diretamente da física da alocação de recursos dentro das células, em vez de depender de qualquer reação bioquímica específica”, explica Hatakeyama.

Unindo Leis Clássicas da Biologia

Este novo princípio reúne duas das leis fundamentais do crescimento da biologia: a equação de Monod e a lei do mínimo de Liebig. A lei de Liebig afirma que o crescimento de uma planta é limitado pelo nutriente mais escasso (por exemplo, nitrogênio ou fósforo). Mesmo que todos os outros nutrientes sejam abundantes, a planta só pode crescer tanto quanto o menos disponível permitir.

Ao fundir esses dois conceitos, os pesquisadores criaram o que chamam de modelo de “barril em terraço”. Neste modelo, novos fatores limitantes aparecem em etapas à medida que aumenta a disponibilidade de nutrientes. Isto explica por que os organismos – desde os micróbios unicelulares às plantas complexas – experimentam retornos de crescimento decrescentes, mesmo quando as condições parecem ideais, pois cada nova fase revela uma nova restrição.

Hatakeyama compara isso a uma versão atualizada da famosa analogia do barril de Liebig, na qual o crescimento de uma planta é limitado pela sua haste mais curta, representando o recurso mais escasso. “Em nosso modelo, as aduelas se espalham em etapas”, diz ele, “cada etapa representando um novo fator limitante que se torna ativo à medida que a célula cresce mais rápido”.

Para testar sua hipótese, os pesquisadores construíram modelos computacionais em grande escala de Escherichia coli bactérias. Esses modelos incorporaram detalhes sobre como as células usam proteínas, quão lotadas elas estão dentro e os limites físicos de suas membranas. As simulações previram com precisão a desaceleração observada do crescimento à medida que os nutrientes eram adicionados e mostraram como os níveis de oxigênio e nitrogênio afetaram os resultados. Experimentos de laboratório confirmaram que as previsões do modelo correspondiam ao comportamento biológico real.

Rumo às Leis Universais do Crescimento da Vida

A descoberta oferece uma nova forma de compreender como a vida cresce, sem a necessidade de modelar detalhadamente cada molécula ou reação. O princípio da restrição global fornece uma estrutura que unifica muitos aspectos da biologia. “Nosso trabalho estabelece as bases para leis universais de crescimento”, diz Yamagishi. “Ao compreender os limites que se aplicam a todos os sistemas vivos, podemos prever melhor como as células, os ecossistemas e até mesmo biosferas inteiras respondem às mudanças ambientais.”

Este princípio poderia ter aplicações de longo alcance. Pode levar a uma produção microbiana mais eficiente em biotecnologia, a melhores rendimentos agrícolas através de uma melhor gestão de nutrientes e a modelos mais fortes para prever como os ecossistemas respondem às alterações climáticas. Pesquisas futuras poderão explorar como este princípio se aplica a diferentes tipos de organismos e como vários nutrientes interagem para influenciar o crescimento. Ao unir a biologia celular com a teoria ecológica, este estudo aproxima a ciência de uma estrutura universal para a compreensão dos limites de crescimento da vida.

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