Descubren una ley universal que limita el crecimiento de la vida

Un equipo de investigadores, que incluyó a un científico del Earth-Life Science Institute (ELSI) en el Instituto de Ciencia Tokio, identificó un nuevo principio en biología que explica matemáticamente por qué el crecimiento de los organismos vivos se desacelera cuando los nutrientes son abundantes. Este fenómeno, conocido como la "ley de los rendimientos decrecientes", ha sido objeto de estudio durante años.

El crecimiento de los organismos en respuesta a las condiciones cambiantes de nutrientes ha sido una de las preguntas centrales de la biología. En todos los seres vivos, desde microbios hasta plantas y animales, el crecimiento depende del acceso a nutrientes, energía y la maquinaria interna de las células. Aunque los científicos han investigado cómo estos factores afectan el crecimiento, la mayoría de la investigación se ha centrado en nutrientes individuales o vías bioquímicas específicas. Lo que ha permanecido poco claro es cómo todos estos procesos interconectados dentro de una célula trabajan 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 Tetsuhiro S. Hatakeyama y el Investigador Postdoctoral Jumpei F. Yamagishi del RIKEN descubrieron un nuevo concepto unificador que describe cómo todas las células vivas gestionan su crecimiento bajo restricciones de recursos. Su trabajo introduce lo que llaman el principio de restricción global para el crecimiento microbiano, un marco que podría transformar la comprensión de los sistemas biológicos.

Desde la década de 1940, los microbiólogos han utilizado 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 asume que solo un nutriente o 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 restricciones dentro de cada célula

Según Hatakeyama y Yamagishi, el modelo tradicional captura solo una pequeña parte de lo que sucede. En lugar de un único cuello de botella, el crecimiento celular está moldeado por una compleja red de limitaciones que interactúan para desacelerar el crecimiento a medida que los nutrientes se acumulan. El principio de restricción global explica que cuando un factor limitante, como un nutriente, se alivia, otras restricciones como la producción de enzimas, el volumen celular o el espacio de membrana comienzan a tomar el control.

Utilizando una técnica conocida como "modelado basado en restricciones", el equipo simuló cómo las células distribuyen y gestionan sus recursos internos. Sus resultados mostraron que, aunque cada nutriente adicional ayuda a los microbios a crecer, su beneficio disminuye gradualmente, cada uno contribuyendo 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 leyes clásicas de la biología

Este nuevo principio une dos de las leyes fundamentales del crecimiento en biología: la ecuación de Monod y la ley de Liebig sobre el mínimo. La ley de Liebig establece que el crecimiento de una planta está limitado por el nutriente que escasea (por ejemplo, nitrógeno o fósforo). Incluso si todos los demás nutrientes son abundantes, la planta solo 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 decrecientes en el crecimiento incluso cuando las condiciones parecen ideales, ya que cada nueva etapa revela una nueva restricción.

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 estave más corta, que representa el recurso más escaso. "En nuestro modelo, las estaves del barril se extienden 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. Estos modelos incorporaron detalles sobre cómo las células utilizan proteínas, cuán 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 añadían nutrientes y mostraron cómo los niveles de oxígeno y nitrógeno afectaban los resultados. Experimentos de laboratorio confirmaron que las predicciones del modelo coincidían con el comportamiento biológico real.

Hacia leyes universales del crecimiento de la vida

El descubrimiento ofrece una nueva forma de entender cómo crece la vida, sin 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 leyes universales del crecimiento", dice Yamagishi. "Al comprender los límites que se aplican a todos los sistemas vivos, podemos predecir mejor cómo las células, los ecosistemas e incluso los biosistemas enteros responden a los cambios en el entorno".

Este principio podría tener aplicaciones de gran alcance. Podría conducir a una producción microbiana más eficiente en biotecnología, mejorar los rendimientos de cultivos a través de una mejor gestión de nutrientes y crear modelos más robustos para predecir cómo responden los ecosistemas al cambio climático. La investigación futura podría 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 a la ciencia a un marco universal para comprender los límites del crecimiento de la vida.

El Earth-Life Science Institute (ELSI) es uno de los destacados centros de investigación de Japón, enfocado en impulsar avances en ciencia interdisciplinaria. Su misión se centra en estudiar el origen y la co-evolución de la Tierra y la vida.

El Instituto de Ciencia Tokio fue establecido el 1 de octubre de 2024, mediante la fusión de la Universidad Médica y Dental de Tokio y el Instituto de Tecnología de Tokio. Su misión es "Avanzar en la ciencia y el bienestar humano para crear valor para y con la sociedad".

La Iniciativa de Centros de Investigación Internacional de Primera Línea (WPI) de Japón, lanzada en 2007, apoya una red de centros de investigación de élite que operan con un alto grado de independencia y colaboración global. El programa es gestionado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.

RIKEN, el mayor instituto de investigación de Japón, produce más de 2,500 artículos cada año en revistas líderes en física, química, biología, ingeniería y medicina. Conocido por su enfoque interdisciplinario e internacional, RIKEN ha ganado una reputación mundial por su excelencia científica.

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