Investigadores en Japón han identificado un nuevo principio que explica por qué el crecimiento de los organismos vivos se ralentiza incluso con nutrientes abundantes. El principio de restricción global integra leyes biológicas clásicas para revelar limitaciones secuenciales en los procesos celulares. Verificado mediante simulaciones de E. coli, podría mejorar los rendimientos de cultivos y la biomanufactura.
Un equipo que incluye a Tetsuhiro S. Hatakeyama del Earth-Life Science Institute (ELSI) en el Institute of Science Tokyo y Jumpei F. Yamagishi de RIKEN ha descubierto el principio de restricción global para el crecimiento microbiano. Este marco describe matemáticamente la ley de rendimientos decrecientes, donde las tasas de crecimiento aumentan con los nutrientes pero eventualmente se estabilizan debido a restricciones celulares interconectadas.
Desde la década de 1940, la ecuación de Monod ha modelado el crecimiento microbiano como limitado por un solo nutriente, mientras que la ley del mínimo de Liebig destaca el recurso más escaso como el cuello de botella. El trabajo de Hatakeyama y Yamagishi une estos conceptos, proponiendo un modelo de barril escalonado donde nuevos factores limitantes —como la producción de enzimas, el volumen celular o el espacio de membrana— emergen secuencialmente a medida que los nutrientes se vuelven abundantes.
"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 cualquier reacción bioquímica particular", explica Hatakeyama. Él lo compara con la analogía del barril de Liebig: "En nuestro modelo, las duelas del barril se extienden en pasos, cada paso representando un nuevo factor limitante que se activa a medida que la célula crece más rápido."
Usando modelado basado en restricciones, los investigadores simularon Escherichia coli, incorporando el uso de proteínas, el hacinamiento intracelular y los límites de membrana. Los modelos predijeron ralentizaciones del crecimiento con nutrientes añadidos y coincidieron con experimentos de laboratorio sobre los efectos del oxígeno y el nitrógeno.
Publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (2025; 122 (40)), el principio ofrece una visión unificada del crecimiento en todas las formas de vida. "Nuestro trabajo establece las bases para leyes universales de crecimiento", dice Yamagishi. Las aplicaciones incluyen optimizar la biotecnología, mejorar la agricultura y modelar las respuestas de los ecosistemas a los cambios ambientales.