科學家揭示了限制生命生長的隱藏普遍法則

生物體如何響應不斷變化的營養條件而生長長期以來一直是生物學的核心問題之一。在所有生命形式中——從微生物到植物和動物——生長取決於營養、能量和細胞內部機制的獲取。儘管科學家們已經研究了這些因素如何影響生長，但大多數研究都集中在單個營養素或特定的生化途徑上。目前尚不清楚的是，當資源有限時，細胞內所有這些相互關聯的過程如何協同工作來控制生長。

統一生命系統的普遍原則

為了探索這個謎團，ELSI 特別任命的副教授 Tetsuhiro S. Hatakeyama 和 RIKEN 博士後研究員 Jumpei F. Yamagishi 創建了一個新的統一概念，描述所有活細胞如何在資源限制下管理生長。他們的工作提供了他們所說的 全局約束原理 微生物生長——一個可以重塑科學家理解生物系統方式的框架。

自 20 世紀 40 年代以來，微生物學家一直依靠莫諾方程來描述微生物的生長方式。該模型表明，隨著營養物質的添加，生長速度會增加直至穩定。然而，莫諾方程假設一次只有一種營養或生化反應限制生長。事實上，細胞同時執行數千個必須共享有限資源的化學過程。

每個單元內的約束網絡

根據畠山和山岸的說法，傳統模型只捕捉到了正在發生的事情的一小部分。細胞生長不是單一的瓶頸，而是由複雜的約束網絡形成，隨著營養物質的積累，這些約束與緩慢的生長相互作用。普遍約束原則指出，當一種限制因素（例如營養物質）放鬆時，其他限制（例如酶產量、細胞大小或膜面積）就會開始取而代之。

使用基於約束的建模技術，該團隊模擬了單元的分佈方式和內部資源的管理方式。他們的結果表明，雖然每一種額外的營養素都有助於微生物生長，但其益處逐漸減少——每種元素的貢獻都小於前一種元素。

“生長曲線的形狀直接來自細胞內資源分配的物理原理，而不是依賴於任何特定的生化反應，”畠山解釋道。

統一生物學的經典定律

這一新原理結合了生物學中的兩個基本增長定律：莫諾方程和李比希最小值定律。李比希定律指出，植物生長受到任何稀缺養分（例如氮或磷）的限制。即使所有其他養分都很豐富，植物也只能在可用養分最少的情況下生長。

通過結合這兩個概念，研究人員創建了他們所謂的“階梯桶”模型。在這個模型中，隨著養分可用性的增加，新的限制因素會分階段出現。這解釋了為什么生物體——從單細胞微生物到復雜植物——即使在條件看似理想的情況下也會經歷生長收益遞減，因為每個新階段都會暴露出新的限制。

畠山將此與李比希著名的桶類比的更新版本進行比較，其中植物的生長僅限於最短的棍子，代表著最稀缺的資源。 “在我們的模型中，桶狀桿分步繁殖，每一步都代表一個新的限制因素，隨著細胞生長速度加快，該限制因素就會變得活躍，”他說。

為了驗證他們的假設，研究人員建立了廣泛的計算機模型 大腸桿菌 細菌。這些模型包括有關細胞如何使用蛋白質、細胞內部的擁擠程度以及細胞膜的物理邊界的詳細信息。模擬準確地預測了隨著營養物質的添加而觀察到的生長放緩，並顯示了氧氣和氮氣水平如何影響結果。實驗室實驗證實該模型的預測與真實的生物行為相符。

走向生命成長的普遍規律

這一發現提供了一種了解生命如何生長的新方法，而無需詳細模擬每個分子或反應。普遍約束原則提供了一個統一生物學許多方面的框架。 “我們的工作為全球增長法則奠定了基礎，”山岸說。 “通過了解適用於所有生命系統的限制，我們可以更好地預測細胞、生態系統甚至整個生物圈將如何應對不斷變化的環境。”

這一原則可以具有深遠的應用。這可能會導致生物技術中微生物的生產更加高效，通過更好的養分管理提高作物產量，以及預測生態系統如何應對氣候變化的更強大的模型。未來的研究可能會探索這一原理如何適用於不同類型的生物體以及多種營養素如何相互作用影響生長。通過彌合細胞生物學和生態理論之間的差距，這項研究使科學更接近理解生命生長極限的全球框架。

地球與生命科學研究所 (ELSI) 是日本著名的世界一流研究中心 (WPI) 之一。它旨在通過吸引世界各地的領先研究人員合作解決具有挑戰性的科學問題，實現跨學科科學的突破。 ELSI 的使命專注於研究地球和生命的起源和共同進化。

這 東京科學研究所 Science Tokyo 於 2024 年 10 月 1 日由東京醫科齒科大學 (TMDU) 和東京工業大學 (Tokyo Tech) 合併而成。其使命是“推進科學和人類福祉，為社會並與社會一起創造價值”。

日本 第一個全球研究中心的倡議 (WPI) 由文部科學省 (MEXT) 於 2007 年發起，支持高度獨立運作和全球合作的精英研究中心網絡。該計劃由日本學術振興會（JSPS）管理。

王國日本最大的基礎和應用科學研究機構，每年在物理、化學、生物、工程和醫學領域的領先期刊上發表 2,500 多篇研究論文。 RIKEN 以其跨學科和國際方法而聞名，因其卓越的科學聲譽而享譽全球。