Des chercheurs au Japon ont identifié un nouveau principe expliquant pourquoi la croissance des organismes vivants ralentit même en présence de nutriments abondants. Le principe de contrainte globale intègre les lois biologiques classiques pour révéler des limitations séquentielles dans les processus cellulaires. Vérifié par des simulations de E. coli, il pourrait améliorer les rendements des cultures et la biomanufacturing.
Une équipe incluant Tetsuhiro S. Hatakeyama de l'Earth-Life Science Institute (ELSI) à l'Institute of Science Tokyo et Jumpei F. Yamagishi de RIKEN a découvert le principe de contrainte globale pour la croissance microbienne. Ce cadre décrit mathématiquement la loi des rendements décroissants, où les taux de croissance augmentent avec les nutriments mais finissent par stagner en raison de contraintes cellulaires interconnectées.
Depuis les années 1940, l'équation de Monod modélise la croissance microbienne comme limitée par un seul nutriment, tandis que la loi du minimum de Liebig met en évidence la ressource la plus rare comme goulot d'étranglement. Le travail de Hatakeyama et Yamagishi unit ces concepts, proposant un modèle de baril en terrasses où de nouveaux facteurs limitants —comme la production d'enzymes, le volume cellulaire ou l'espace membranaire— émergent séquentiellement à mesure que les nutriments deviennent abondants.
« La forme des courbes de croissance émerge directement de la physique de l'allocation des ressources à l'intérieur des cellules, plutôt que de dépendre d'une réaction biochimique particulière », explique Hatakeyama. Il le compare à l'analogie du baril de Liebig : « Dans notre modèle, les douves du baril s'étendent par étapes, chaque étape représentant un nouveau facteur limitant qui devient actif à mesure que la cellule croît plus vite. »
En utilisant la modélisation basée sur les contraintes, les chercheurs ont simulé Escherichia coli, en intégrant l'utilisation des protéines, l'encombrement intracellulaire et les limites membranaires. Les modèles ont prédit des ralentissements de croissance avec l'ajout de nutriments et correspondaient aux expériences de laboratoire sur les effets de l'oxygène et de l'azote.
Publié dans Proceedings of the National Academy of Sciences (2025 ; 122 (40)), le principe offre une vue unifiée de la croissance à travers les formes de vie. « Notre travail pose les bases de lois universelles de croissance », déclare Yamagishi. Les applications incluent l'optimisation de la biotechnologie, l'amélioration de l'agriculture et la modélisation des réponses des écosystèmes aux changements environnementaux.