Peneliti di Jepang telah mengidentifikasi prinsip baru yang menjelaskan mengapa pertumbuhan organisme hidup melambat meskipun dengan nutrisi yang melimpah. Prinsip kendala global mengintegrasikan hukum biologi klasik untuk mengungkap keterbatasan berurutan dalam proses seluler. Diverifikasi melalui simulasi E. coli, ini dapat meningkatkan hasil panen dan biomanufaktur.
Sebuah tim yang mencakup Tetsuhiro S. Hatakeyama dari Earth-Life Science Institute (ELSI) di Institute of Science Tokyo dan Jumpei F. Yamagishi dari RIKEN telah menemukan prinsip kendala global untuk pertumbuhan mikroba. Kerangka ini secara matematis menggambarkan hukum pengembalian yang menurun, di mana tingkat pertumbuhan meningkat dengan nutrisi tetapi akhirnya mencapai plato karena kendala seluler yang saling terhubung.
Sejak 1940-an, persamaan Monod telah memodelkan pertumbuhan mikroba sebagai terbatas oleh satu nutrisi, sementara hukum minimum Liebig menyoroti sumber daya paling langka sebagai hambatan. Karya Hatakeyama dan Yamagishi menyatukan ini, mengusulkan model tonggak bertingkat di mana faktor pembatas baru—seperti produksi enzim, volume sel, atau ruang membran—muncul secara berurutan saat nutrisi menjadi melimpah.
"Bentuk kurva pertumbuhan muncul langsung dari fisika alokasi sumber daya di dalam sel, daripada bergantung pada reaksi biokimia tertentu," jelas Hatakeyama. Dia membandingkannya dengan analogi tong Liebig: "Dalam model kami, papan tong menyebar dalam langkah-langkah, setiap langkah mewakili faktor pembatas baru yang aktif saat sel tumbuh lebih cepat."
Menggunakan pemodelan berbasis kendala, para peneliti mensimulasikan Escherichia coli, memasukkan penggunaan protein, keramaian intraseluler, dan batas membran. Model memprediksi perlambatan pertumbuhan dengan nutrisi tambahan dan cocok dengan eksperimen laboratorium tentang efek oksigen dan nitrogen.
Diterbitkan di Proceedings of the National Academy of Sciences (2025; 122 (40)), prinsip ini menawarkan pandangan terpadu tentang pertumbuhan di seluruh bentuk kehidupan. "Karya kami meletakkan dasar untuk hukum pertumbuhan universal," kata Yamagishi. Aplikasi termasuk mengoptimalkan bioteknologi, meningkatkan pertanian, dan memodelkan respons ekosistem terhadap perubahan lingkungan.