A forma como os organismos crescem em resposta às variações na disponibilidade de nutrientes sempre foi uma das questões centrais da biologia. Em todos os seres vivos – desde microrganismos até plantas e animais – o crescimento está atrelado ao acesso a nutrientes, energia e à maquinaria interna das células. Embora os cientistas tenham investigado como esses fatores influenciam o crescimento, a maioria das pesquisas se concentrou em nutrientes específicos ou em vias bioquímicas distintas. O que ainda não estava claro era como todos esses processos interconectados dentro da célula interagem para regular o crescimento quando os recursos são limitados.

Um Princípio Global que Une os Sistemas Vivos

Para investigar esse mistério, o Professor Associado Especial Tetsuhiro S. Hatakeyama do ELSI e o Pesquisador Pós-Doutoral Especial Jumpei F. Yamagishi, do RIKEN, descobriram um novo conceito unificador que descreve como todas as células vivas gerenciam seu crescimento sob restrições de recursos. Seu trabalho apresenta o que eles chamam de princípio de restrição global para o crescimento microbiano – uma estrutura que pode transformar a forma como os cientistas entendem os sistemas biológicos.

Desde a década de 1940, microbiologistas utilizam a “equação de Monod” para descrever o crescimento microbiano. Este modelo demonstra que as taxas de crescimento aumentam com a adição de nutrientes até que se estabilizam. Contudo, a equação de Monod presume que apenas um nutriente ou reação bioquímica limita o crescimento ao mesmo tempo. Na realidade, as células realizam milhares de processos químicos simultâneos que devem compartilhar recursos finitos.

Uma Rede de Limitações Dentro de Cada Célula

De acordo com Hatakeyama e Yamagishi, o modelo tradicional capta apenas uma pequena parte do que está ocorrendo. Em vez de um único estrangulamento, o crescimento celular é moldado por uma rede complexa de limitações que interagem e diminuem o crescimento à medida que os nutrientes se acumulam. O princípio de restrição global esclarece que, quando um fator limitante, como um nutriente, é amenizado, outras limitações, como produção de enzimas, volume celular ou espaço na membrana, começam a prevalecer.

Utilizando uma técnica conhecida como “modelagem baseada em restrições”, a equipe simulou como as células distribuem e gerenciam os recursos internos. Os resultados mostraram que, embora cada nutriente adicional ajude os micróbios a crescer, seu benefício diminui gradualmente – cada novo nutriente contribui menos do 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 combina duas das leis fundamentais do crescimento biológico: 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 poderá crescer tanto quanto o permite o nutriente menos disponível.

Ao fundir esses dois conceitos, os pesquisadores criaram o que chamam de modelo de “barril em degraus”. Neste modelo, novos fatores limitantes surgem em estágios à medida que a disponibilidade de nutrientes aumenta. Isso explica por que organismos – desde microrganismos unicelulares até plantas complexas – experimentam retornos de crescimento decrescentes, mesmo quando as condições parecem ideais, já que cada novo estágio revela uma nova limitação.

Hatakeyama compara isso a uma versão atualizada da famosa analogia do barril de Liebig, onde o crescimento de uma planta é محدودado por sua tábua mais curta, representando o recurso mais escasso. “Em nosso modelo, as tábuas do barril se expandem em etapas”, diz ele, “cada etapa representando um novo fator limitante que se torna ativo à medida que a célula cresce mais rapidamente.”

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

Rumo a Leis Universais do Crescimento da Vida

A descoberta oferece uma nova maneira de entender como a vida se desenvolve, sem a necessidade de modelar cada molécula ou reação em detalhes. O princípio de restrição global fornece uma estrutura que unifica muitos aspectos da biologia. “Nosso trabalho estabelece as bases para leis universais de crescimento”, afirma Yamagishi. “Ao compreendermos os limites que se aplicam a todos os sistemas vivos, podemos prever melhor como células, ecossistemas e até mesmo biosferas inteiras respondem a ambientes em mudança.”

Esse princípio pode ter aplicações de grande alcance. Pode resultar em uma produção microbiana mais eficiente na biotecnologia, em melhores rendimentos de culturas por meio de uma gestão de nutrientes aprimorada e em modelos mais robustos para prever como ecossistemas reagem às mudanças climáticas. Pesquisas futuras poderão explorar como esse princípio se aplica a diferentes tipos de organismos e como múltiplos nutrientes interagem para influenciar o crescimento. Ao conectar biologia celular com teoria ecológica, este estudo aproxima a ciência de uma estrutura universal para entender os limites do crescimento da vida.

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