لقد حدد باحثون في اليابان مبدأً جديدًا يفسر لماذا يتباطأ نمو الكائنات الحية حتى مع وفرة المغذيات. يدمج مبدأ القيد العالمي القوانين البيولوجية الكلاسيكية ليكشف عن قيود متسلسلة في العمليات الخلوية. تم التحقق منه من خلال محاكيات E. coli، وقد يعزز عوائد المحاصيل والتصنيع الحيوي.
لقد اكتشف فريق يشمل تيتشوهيرو إس. هاتاكياما من معهد العلوم الأرضية-الحياتية (ELSI) في معهد العلوم طوكيو وجومبي إف. ياماغيشي من RIKEN مبدأ القيد العالمي لنمو الكائنات الدقيقة. يصف هذا الإطار رياضيًا قانون العوائد المتناقصة، حيث تزداد معدلات النمو مع المغذيات لكنها تتوقف في النهاية بسبب القيود الخلوية المترابطة.
منذ الأربعينيات، نمذجت معادلة مونود نمو الكائنات الدقيقة كمحدودة بنقص واحد، بينما تبرز قانون ليبيغ للحد الأدنى المورد الأندر كعنق الزجاجة. يوحد عمل هاتاكياما وياماغيشي هذه، مقترحًا نموذج برميل مدرج حيث تظهر عوامل حد جديدة —مثل إنتاج الإنزيمات، حجم الخلية، أو مساحة الغشاء— بشكل متسلسل مع وفرة المغذيات.
"يظهر شكل منحنيات النمو مباشرة من فيزياء تخصيص الموارد داخل الخلايا، بدلاً من الاعتماد على أي تفاعل كيميائي حيوي معين"، يشرح هاتاكياما. يقارنه بتشبيه برميل ليبيغ: "في نموذجنا، تنتشر ألواح البرميل في خطوات، كل خطوة تمثل عامل حد جديد يصبح نشطًا مع نمو الخلية أسرع."
باستخدام النمذجة القائمة على القيود، قام الباحثون بمحاكاة Escherichia coli، مع دمج استخدام البروتينات، الازدحام داخل الخلية، والحدود الغشائية. توقعت النماذج تباطؤ النمو مع إضافة المغذيات وتطابقت مع تجارب المختبر حول تأثيرات الأكسجين والنيتروجين.
نُشر في Proceedings of the National Academy of Sciences (2025؛ 122 (40))، يقدم المبدأ رؤية موحدة للنمو عبر أشكال الحياة. "يعملنا يضع الأساس لقوانين عالمية للنمو"، يقول ياماغيشي. تشمل التطبيقات تحسين التكنولوجيا الحيوية، تحسين الزراعة، ونمذجة استجابات النظم البيئية للتغيرات البيئية.