日本の研究者らが、栄養が豊富でも生物の成長が遅くなる理由を説明する新たな原理を特定した。グローバル制約原理は、古典的な生物学的法則を統合し、細胞プロセスにおける連続的な制限を明らかにする。E. coliのシミュレーションで検証され、作物収量とバイオマニュファクチャリングの向上に寄与する可能性がある。
東京科学研究所のEarth-Life Science Institute (ELSI)のTetsuhiro S. Hatakeyama氏とRIKENのJumpei F. Yamagishi氏を含むチームが、微生物成長のためのグローバル制約原理を発見した。この枠組みは、栄養素が増加すると成長率が上昇するが、最終的に細胞内の相互接続された制約により停滞する収穫逓減の法則を数学的に記述する。
1940年代以来、Monod方程式は微生物成長を単一の栄養素によって制限されるものとしてモデル化し、Liebigの最小限の法則は最も希少な資源をボトルネックとして強調してきた。Hatakeyama氏とYamagishi氏の研究はこれらを統合し、栄養が豊富になると酵素生産、細胞体積、または膜スペースなどの新たな制限要因が順次現れるテラス状バレルモデルを提案する。
「成長曲線の形状は、特定の生化学的反応に依存せず、細胞内の資源配分の物理学から直接生じる」とHatakeyama氏は説明する。彼はLiebigのバレルアナロジーと比較して、「私たちのモデルでは、バレルの板がステップバイステップで広がり、各ステップが細胞がより速く成長するにつれて活性化される新たな制限要因を表す。」
制約ベースのモデリングを使用して、研究者らはEscherichia coliをシミュレーションし、タンパク質使用、細胞内混雑、膜制限を組み込んだ。モデルは栄養添加による成長減速を予測し、酸素と窒素の影響に関する実験室実験と一致した。
Proceedings of the National Academy of Sciences (2025; 122 (40))に掲載されたこの原理は、生命形態全体の成長に対する統一的な視点を提示する。「私たちの研究は成長の普遍的法則の基盤を築く」とYamagishi氏は述べる。応用には、バイオテクノロジーの最適化、農業の改善、生態系の環境変化への応答のモデリングが含まれる。