Kako su metabolizam i ćelijski rast povezani — misterija starija od 180 godina

Naučnici pokazuju jednostavan princip koji objašnjava kako povećani nivoi nutrijenata menjaju brzinu rasta ćelija, otkrivajući univerzalni zakon mikrobnog rasta.

Istraživači iz Instituta za nauku o životu i Zemlji (ELSI) pri Institutu za nauku u Tokiju identifikovali su nov princip u biologiji koji matematički objašnjava zašto rast organizama usporava dok nutrijenti postaju obilniji — fenomen poznat kao „zakon opadajućih prinosa“.

Preporučujemo

Razumevanje kako živi organizmi rastu u različitim nutritivnim uslovima dugo je centralno pitanje biologije. Kod mikroba, biljaka i životinja, rast je oblikovan dostupnošću nutrijenata, energije i ćelijskim mehanizmom. Iako su ova ograničenja opsežno istražena, većina studija fokusira se samo na pojedinačne nutrijente ili specifične biohemijske reakcije, ostavljajući šire pitanje bez odgovora: kako složeni, međusobno povezani ćelijski procesi zajedno regulišu rast pod ograničenim uslovima?

Istraživači su otkrili jedinstven princip koji objašnjava kako sve žive ćelije regulišu rast kad su resursi ograničeni. Studija uvodi princip globalnog ograničenja za rast mikroba, koncept koji bi mogao transformisati način na koji naučnici pristupaju proučavanju bioloških sistema.

Gotovo osam decenija se istraživači oslanjaju na "Monoovu jednačinu" u mikrobiologiji, formulisanu 1940-ih, kako bi opisali mikrobni rast. Prema Monoovoj jednačini, brzina rasta se povećava sa povećanjem nutrijenata pre dostizanja stabilnog rasta. Međutim, ovaj model pretpostavlja da samo jedan nutrijent ili biohemijska reakcija ograničava mikrobni rast. U stvari, ćelije izvode hiljade međusobno povezanih hemijskih procesa i svi se nadmeću za iste ograničene resurse.

Stoga bi Monoova jednačina predstavljala samo deo slike. Umesto jednog uskog grla, rast ćelija oblikuje mreža ograničenja koja deluju zajedno, što rezultira poznatim poravnanjem stopa rasta, iako zbog sasvim drugačijeg razloga.

Princip globalnog ograničenja objašnjava činjenicu da – kad jedan nutrijent postane obilniji – drugi faktori kao što su dostupnost enzima, veličina ćelije ili kapacitet membrane, počinju da ograničavaju rast. Pomoću metode „modeliranja na bazi ograničenja“, koji modelira kako ćelije upravljaju svojim resursima, istraživači su pokazali da dodavanje više nutrijenata uvek pomaže mikrobima da rastu, ali svaki dodatni nutrijent ima manji efekat na rast od prethodnog.

„Oblik krivih rasta proizilazi direktno iz fizike raspoređivanja resursa unutar ćelija, a ne zavisi od bilo koje specifične biohemijske reakcije“, kažu istraživači.

Novi princip spaja dva klasična biološka zakona: Monoovu jednačinu, koja opisuje mikrobni rast, i Libigov zakon minimuma, koji tvrdi da je rast biljke ograničen onim nutrijentom kojeg ima najmanje, poput azota ili fosfora. Drugačije rečeno, čak i ako biljka ima dovoljno većine nutrijenata, može da raste samo onoliko koliko najoskudniji nutrijent dozvoljava.

Kombinujući ove koncepte, istraživači su kreirali model „terasastog bureta“ – različiti ograničavajući faktori deluju po redu dok nutrijenti rastu. Ovo objašnjava zašto i mikrobi i viši organizmi pokazuju opadajuće prinose i rast usporava čak i kad se doda više nutrijenata, pošto novi ograničavajući faktor postaje dominantan.

Radi testiranja teorije upotrebljeni su opsežni kompjuterski modeli ešerihije koli, koji uključuju način na koji ćelije koriste proteine, kako su prostorno grupisane i kapacitete njihovih membrana. Simulacije su pokazale predviđeno usporavanje rasta tokom dodavanja više nutrijenata i otkrile kako nivoi kiseonika ili azota utiču na obrasce rasta. Rezultati su se dobro slagali sa laboratorijskim eksperimentima, potvrđujući tačnost modela.

Otkriće omogućava novi pogled na rast svih oblika života. Putem kombinacije različitih principa, princip globalnog ograničenja objašnjava složena biološka ponašanja bez potrebe za modeliranjem svakog molekula detaljno.

„Naš rad postavlja temelje za univerzalne zakone rasta. Shvatajući ograničenja koja važe za sve žive sisteme, možemo bolje predvideti kako ćelije, ekosistemi, pa čak i cele biosfere reaguju na promene sredine“, kažu istraživači.

Značaj istraživanja ide dalje od osnovne biologije. Može pomoći u poboljšanju mikrobne proizvodnje u industriji, povećati prinos useva identifikovanjem ograničavajućih nutrijenata i upravljati predviđanjima odgovora ekosistema na promenljive klimatske uslove.

Buduće studije bi mogle pomoći u istraživanju primene principa na različite organizme i način upotrebe više nutrijenata zajedno. Povezujući mikrobnu biologiju sa ekološkom teorijom, ova studija pravi veliki korak ka univerzalnoj osnovi za razumevanje granica rasta života.

(Telegraf Nauka/EurekAlert)