Группа исследователей, в т.ч. учёный из Института науки о жизни на Земле (ИНЖЗ) и Токийского института науки, определила новый принцип биологии, который математически описывает, почему рост живых организмов замедляется, когда питательные вещества присутствуют в изобилии. Этот хорошо известный феномен известен как «закон убывающей доходности».
Особенности роста организмов в ответ на изменяющиеся условия питания —один из давних центральных вопросов биологии. У всех форм жизни, от микробов до растений и животных, рост зависит от доступа к питательным веществам, энергии и внутреннего аппарата клеток. Хотя учёные изучили то, каким образом эти факторы влияют на рост, большая часть исследований была сконцентрирована на отдельных питательных веществах или специфических биохимических путях. Неясным оставалось то, как эти взаимосвязанные внутриклеточные процессы взаимодействуют друг с другом, чтобы контролировать рост при ограниченном количестве ресурсов.
Всеобщий принцип, объединяющий живые системы
Чтобы исследовать эту загадку, специально назначенный адъюнкт-профессор ИНЖЗ Тецухиро С. Хатакеяма и специальный кандидат наук Института физико-химических исследований Дзюмпей Ямагиши обнаужили объединяющую концепцию, описывающую то, как все живые системы управляют ростом при ограниченных ресурсах. В их работе вводится понятие, которое они называют «всеобщим принципом ограниченности» — система, способная трансформировать понимание учёными биологических систем.
Начиная с 1940-х годов для описания роста микробов микробиологи пользуются «уравнением Моно». Эта модель показывает, что скорость роста увеличивается при добавлении питательных веществ до тех пор, пока они не выровняются. Однако, в уравнении Моно предполагается, что в определённый момент времени рост ограничивает только одно питательное вещество или одна реакция. В действительности же в клетках одновременно происходят тысячи химических процессов, которые должны делиться ограниченными ресурсами.
Сеть ограничений внутри каждой клетки
По данным Хатакеямы и Ямагиши, в традиционной модели учитывается лишь небольшая часть происходящего. Вместо одного узкого места рост клеток формируется сложной сетью ограничений, взаимодействующих, чтобы замедлять рост при накоплении питательных веществ. Всеобщий принцип ограниченности гласит, что когда один ограничивающий фактор, например, питательное вещество затухает, в силу вступают другие ограничения, вроде выработки ферментов, объёма клетки или мембранного пространства.
Используя метод, известный как «моделирование на основании ограничений», учёные имитировали распределение клеток и управление внутренними ресурсами. Их результаты показали, что хотя каждый дополнительный нутриент способствует росту микробов, польза его постепенно снижается, и ценность каждого нового питательного вещества ниже, чем ценность предыдущего.
«Форма кривых роста возникает непосредственно из физики распределения ресурсов внутри клеток, а не зависит от какой-то конкретной биохимической реакции», — объясняет Хатакеяма.
Объединяя классические законы биологии
Этот новый принцип объединяет два фундаментальных закона роста в биологии: уравнение Моно и закон минимума Либиха. Закон Либиха гласит, что рост растений ограничивается наиболее недостаточно представленным питательным веществом (например, азотом или фосфором). Даже если все остальные питательные вещества представлены в изобилии, растение может расти только в той степени, в которой это позволяет наименее доступное вещество.
Объединив эти две концепции, исследователи создали так называемую модель «ступенчатой бочки». В этой модели новые ограничивающие факторы появляются поступенчато при увеличении доступности питательного вещества. Этим объясняется то, почему организмы, от одноклеточных микробов до сложных растений, сталкиваются с уменьшением прибыли от роста даже при, казалось бы, идеальных условиях, поскольку на каждой новой стадии обнаруживается новое ограничение.
Хатакеяма сравнивает это с обновлённой версией знаменитой модели бочки Либиха, где рост растения ограничен самой короткой планкой, представляющей собой самый недостающий ресурс. «В нашей модели планки бочки расходятся на ступени, — говорит он, — каждая из ступеней представляет собой новый ограничивающий фактор, активируемый при ускорении роста клетки».
Чтобы испытать свою гипотезу, исследователи построили широкомасштабные компьютерные модели бактерии Escherichia coli. В эти модели вошли подробные данные об использовании клетками белков, об их внутренней плотности и о физических пределах их мембран. Модели точно предсказывали наблюдаемое замедление роста при добавлении питательных веществ и показали, как уровни кислорода и азота влияют на результаты. Лабораторные эксперименты подтвердили, что прогнозы модели соответствуют реальному биологическому поведению.
По направлению к универсальным законам роста жизни
Открытие предлагает новое понимание роста жизни, без необходимости детального моделирования каждой молекулы или реакции. Всеобщий принцип ограниченности предоставляет структуру, объединяющую многие аспекты биологии. «Наша работа закладывает основу универсальных законов роста, — говорит Ямагиши. — Понимая ограничения, применимые ко всем живым системам, мы можем лучше прогнозировать реакцию клеток, экосистем и даже целых биосфер на изменения среды».
Этот принцип может найти перспективное применение. Он может привести к повышению эффективности производства микробов в биотехнологии, росту урожайности благодаря более эффективному использованию питательных веществ и более мощным моделям прогнозирования реакции эккосистем на изменение климата. Дальнейшие исследования могут касаться применения этого принципа к различным типам организмов и взаимодействия многочисленных веществ в целях управления ростом. Объединив клеточную биологию и экологическую теорию, данное исследование приближает науку к универсальной системе понимания границ роста жизни.
Институт науки о жизни на Земле (ИНЖЗ) — один их выдающихся исследовательских центров Японии, входящий в Японскую инициативу создания передовых международных исследовательских центров (WPI), которая ставит перед собой задачу способствовать междисциплинарным научным открытиям путём привлечения исследователей со всего мира для сотрудничества в области злободневных научных проблем. Миссия ИНЖЗ заключается в изучении происхождения и коэволюции Земли и жизни.
Токийский институт науки основан 1 октября 2024 года путём слияния Токийского технологического института и Токийского медицинского и стоматологического университета. Его миссия состоит в «продвижении науки и человеческого благополучия с помощью общества и ради его блага».
Японская инициатива создания передовых международных исследовательских центров (WPI), запущенная в 2007 году Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологии (MEXT), поддерживает сеть элитных исследовательских центров и в своей деятельности обладает высокой степенью независимости и мирового сотрудничества. Этой программой руководит Японское общество развития науки (JSPS).
RIKEN — крупнейший исследовательский институт Японии в области фундаментальных и прикладных наук, выпускающий ежегодно свыше 2500 статей в лидирующих журналах из области физики, химии, биологии, проектирования и медицины. Известный своим междисциплинарным и международным подходом, RIKEN заслужил международную репутацию за научные достижения.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Токийским институтом науки.
Вам также может быть интересно: