Pesquisadores no Japão identificaram um novo princípio que explica por que o crescimento de organismos vivos desacelera mesmo com nutrientes abundantes. O princípio de restrição global integra leis biológicas clássicas para revelar limitações sequenciais em processos celulares. Verificado por meio de simulações de E. coli, pode melhorar os rendimentos de colheitas e a biomanufatura.
Uma equipe incluindo Tetsuhiro S. Hatakeyama do Earth-Life Science Institute (ELSI) no Institute of Science Tokyo e Jumpei F. Yamagishi do RIKEN descobriu o princípio de restrição global para o crescimento microbiano. Este framework descreve matematicamente a lei dos rendimentos decrescentes, onde as taxas de crescimento aumentam com nutrientes, mas eventualmente estabilizam devido a restrições celulares interconectadas.
Desde a década de 1940, a equação de Monod modelou o crescimento microbiano como limitado por um único nutriente, enquanto a lei do mínimo de Liebig destaca o recurso mais escasso como o gargalo. O trabalho de Hatakeyama e Yamagishi une esses conceitos, propondo um modelo de barril em terraços onde novos fatores limitantes —como produção de enzimas, volume celular ou espaço de membrana— emergem sequencialmente à medida que os nutrientes se tornam abundantes.
"A forma das curvas de crescimento surge diretamente da física da alocação de recursos dentro das células, em vez de depender de qualquer reação bioquímica particular," explica Hatakeyama. Ele o compara à analogia do barril de Liebig: "No nosso modelo, as tábuas do barril se espalham em etapas, cada etapa representando um novo fator limitante que se torna ativo à medida que a célula cresce mais rápido."
Usando modelagem baseada em restrições, os pesquisadores simularam Escherichia coli, incorporando uso de proteínas, aglomeração intracelular e limites de membrana. Os modelos previram desacelerações no crescimento com nutrientes adicionados e corresponderam a experimentos de laboratório sobre efeitos de oxigênio e nitrogênio.
Publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences (2025; 122 (40)), o princípio oferece uma visão unificada do crescimento em todas as formas de vida. "Nosso trabalho estabelece as bases para leis universais de crescimento," diz Yamagishi. As aplicações incluem otimizar biotecnologia, melhorar a agricultura e modelar respostas de ecossistemas a mudanças ambientais.