Un equipo de investigadores, incluido un científico del Earth-Life Science Institute (ELSI) del Instituto de Ciencias de Tokio (Japón), ha identificado un nuevo principio en biología que explica matemáticamente por qué el crecimiento de los organismos vivos se ralentiza cuando los nutrientes se vuelven abundantes. Este conocido fenómeno se conoce como la «ley de los rendimientos decrecientes».
Cómo crecen los organismos en respuesta a las condiciones cambiantes de los nutrientes ha sido durante mucho tiempo una de las preguntas centrales de la biología. En todas las formas de vida, desde los microbios hasta las plantas y los animales, el crecimiento depende del acceso a los nutrientes, la energía y la maquinaria interna de las células. Aunque los científicos han estudiado cómo estos factores afectan el crecimiento, la mayoría de las investigaciones se han centrado en nutrientes individuales o vías bioquímicas específicas. Lo que no está claro es cómo todos estos procesos interconectados dentro de una célula funcionan juntos para controlar el crecimiento cuando los recursos son limitados.
Un principio global que une los sistemas vivos
Para explorar este misterio, el profesor asociado especialmente designado de ELSI, Tetsuhiro S. Hatakeyama, y el investigador postdoctoral especial de RIKEN, Jumpei F. Yamagishi, descubrieron un nuevo concepto unificador que describe cómo todas las células vivas gestionan el crecimiento bajo limitaciones de recursos. Su trabajo introduce lo que ellos llaman el principio de restricción global para el crecimiento microbiano, un marco que podría remodelar la forma en que los científicos entienden los sistemas biológicos.
Desde la década de 1940, los microbiólogos se han basado en la «ecuación de Monod» para describir cómo crecen los microbios. Este modelo muestra que las tasas de crecimiento aumentan con la adición de nutrientes hasta que se estabilizan. Sin embargo, la ecuación de Monod supone que sólo un nutriente o una reacción bioquímica limita el crecimiento a la vez. En realidad, las células realizan miles de procesos químicos simultáneos que deben compartir recursos finitos.
Una red de limitaciones dentro de cada célula
Según Hatakeyama y Yamagishi, el modelo tradicional capta sólo una pequeña parte de lo que está sucediendo. En lugar de un único cuello de botella, el crecimiento celular está determinado por una compleja red de limitaciones que interactúan para frenar el crecimiento a medida que se acumulan los nutrientes. El principio de restricción global explica que cuando se alivia un factor limitante, como un nutriente, otras limitaciones como la producción de enzimas, el volumen celular o el espacio de la membrana comienzan a tomar el control.
Utilizando una técnica conocida como «modelado basado en restricciones», el equipo simuló cómo las células distribuyen y gestionan los recursos internos. Sus resultados mostraron que, si bien cada nutriente adicional ayuda a los microbios a crecer, su beneficio disminuye gradualmente: cada uno contribuye menos que el anterior.
«La forma de las curvas de crecimiento surge directamente de la física de la asignación de recursos dentro de las células, en lugar de depender de una reacción bioquímica particular», explica Hatakeyama.
Uniendo las leyes clásicas de la biología
Este nuevo principio reúne dos de las leyes de crecimiento fundamentales de la biología: la ecuación de Monod y la ley del mínimo de Liebig. La ley de Liebig establece que el crecimiento de una planta está limitado por el nutriente más escaso (por ejemplo, nitrógeno o fósforo). Incluso si todos los demás nutrientes son abundantes, la planta sólo puede crecer tanto como lo permita el menos disponible.
Al fusionar estos dos conceptos, los investigadores crearon lo que llaman un modelo de «barril en terrazas». En este modelo, nuevos factores limitantes aparecen en etapas a medida que aumenta la disponibilidad de nutrientes. Esto explica por qué los organismos, desde microbios unicelulares hasta plantas complejas, experimentan rendimientos de crecimiento decrecientes incluso cuando las condiciones parecen ideales, ya que cada nueva etapa revela una nueva limitación.
Hatakeyama compara esto con una versión actualizada de la famosa analogía del barril de Liebig, en la que el crecimiento de una planta está limitado por su duela más corta, que representa el recurso más escaso. «En nuestro modelo, las duelas del barril se distribuyen en pasos», dice, «cada paso representa un nuevo factor limitante que se activa a medida que la célula crece más rápido».
Para probar su hipótesis, los investigadores construyeron modelos informáticos a gran escala de Escherichia coli bacterias. Estos modelos incorporaron detalles sobre cómo las células usan las proteínas, qué tan abarrotadas están en su interior y los límites físicos de sus membranas. Las simulaciones predijeron con precisión la desaceleración observada del crecimiento a medida que se agregaron nutrientes y mostraron cómo los niveles de oxígeno y nitrógeno afectaron los resultados. Los experimentos de laboratorio confirmaron que las predicciones del modelo coincidían con el comportamiento biológico real.
Hacia las leyes universales del crecimiento de la vida
El descubrimiento ofrece una nueva forma de comprender cómo crece la vida, sin la necesidad de modelar cada molécula o reacción en detalle. El principio de restricción global proporciona un marco que unifica muchos aspectos de la biología. «Nuestro trabajo sienta las bases para las leyes universales del crecimiento», afirma Yamagishi. «Al comprender los límites que se aplican a todos los sistemas vivos, podemos predecir mejor cómo responden las células, los ecosistemas e incluso biosferas enteras a los entornos cambiantes».
Este principio podría tener aplicaciones de gran alcance. Puede conducir a una producción microbiana más eficiente en la biotecnología, mejores rendimientos de los cultivos a través de una mejor gestión de los nutrientes y modelos más sólidos para predecir cómo responden los ecosistemas al cambio climático. Investigaciones futuras pueden explorar cómo se aplica este principio a diferentes tipos de organismos y cómo interactúan múltiples nutrientes para influir en el crecimiento. Al unir la biología celular con la teoría ecológica, este estudio acerca la ciencia a un marco universal para comprender los límites del crecimiento de la vida.
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