چرا سرعت رشد سلول‌ها حتی با مصرف مواد مغذی کاهش می‌یابد؟

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،پژوهشگران با شناسایی یک قانون زیستی تازه نشان داده‌اند چرا با افزایش مواد مغذی سرعت رشد موجودات زنده کاهش می‌یابد؛ قانونی که می‌تواند به عنوان یک قاعده جهانی در زیست شناسی مطرح شود.

گروهی از پژوهشگران به رهبری محققان موسسه علوم زمین و حیات (ELSI) در مؤسسه علم توکیو و مرکز تحقیقاتی RIKEN اصلی را معرفی کرده‌اند که توضیح می‌دهد چگونه سلول‌ها در شرایط محدودیت منابع رشد خود را تنظیم می‌کنند. این اصل تازه که اصل محدودیت جهانی رشد میکروبی نام گرفته می‌تواند نگاه دانشمندان به سیستم‌های زیستی پیچیده را دگرگون کند.

بازنگری در قانون ۸۰ ساله رشد

از دهه ۱۹۴۰ تاکنون میکروبیولوژیست‌ها برای توصیف رابطه رشد میکروب‌ها و میزان مواد مغذی از معادله مونو استفاده کرده‌اند؛ معادله‌ای که پیش‌بینی می‌کند با افزایش مواد مغذی رشد بیشتر می‌شود و در نهایت به یک سقف ثابت می‌رسد. با این حال این معادله تنها یک عامل محدودکننده را در نظر می‌گیرد در حالی که سلول‌های زنده برای رشد به هزاران واکنش شیمیایی و منابع مشترک نیاز دارند.

پژوهشگران در مطالعه جدید نشان می‌دهند که کند شدن رشد تنها نتیجه کمبود یک ماده مغذی نیست؛ بلکه مجموعه‌ای از محدودیت‌ها از جمله سطح آنزیم‌ها، ظرفیت غشا و حجم سلول هم‌زمان وارد عمل می‌شوند. این تعامل چندگانه، همان الگوی بازده نزولی را ایجاد می‌کند؛ یعنی با وجود اضافه شدن مواد مغذی هر ماده جدید اثر کمتری نسبت به قبلی دارد.

از قانون حداقل لیبیگ تا معادله مونو

به گفته تتسوهیرو هاتاکه‌یاما شکل منحنی‌های رشد نه به یک واکنش شیمیایی خاص بلکه مستقیما از فیزیک تخصیص منابع درون سلولی ناشی می‌شود.

در این پژوهش دو قانون کلاسیک زیست‌شناسی در قالب یک مدل واحد به هم پیوند می‌خورند:

• معادله مونو که رشد میکروبی را توصیف می‌کند

• قانون حداقل لیبیگ که می‌گوید رشد هر موجود زنده توسط کمیاب‌ترین ماده مغذی محدود می‌شود

پژوهشگران برای توضیح این ترکیب از مدل بشکه پله‌پله استفاده کرده‌اند. در این مدل با افزایش مواد مغذی، محدودیت‌های جدید یکی پس از دیگری فعال می‌شوند؛ به همین دلیل حتی با وفور مواد مغذی، رشد دوباره کاهش می‌یابد، زیرا عامل محدودکننده جدیدی وارد بازی می‌شود.

آزمون مدل با شبیه‌سازی‌های دقیق روی باکتری E. coli

برای اعتبارسنجی این اصل تیم تحقیقاتی از مدل‌های گسترده رایانه‌ای برای باکتری اشریشیا کلی استفاده کرد؛ مدل‌هایی که نحوه استفاده سلول از پروتئین‌ها، فشردگی ساختار داخلی و ظرفیت غشا را در نظر می‌گیرند. نتایج شبیه‌سازی نشان داد با افزایش مواد مغذی، سرعت رشد دقیقا مطابق پیش‌بینی کاهش می‌یابد و تغییرات سطح اکسیژن و نیتروژن نیز الگو‌های رشد را به‌درستی بازتاب می‌دهد. این پیش‌بینی‌ها با داده‌های آزمایشگاهی نیز هم‌خوانی داشت.

گامی به سوی قوانین جهانی رشد در زیست‌شناسی

این اصل جدید رویکردی یکپارچه برای مطالعه رشد در همه موجودات زنده از میکروب‌ها تا گیاهان و جانوران ارائه می‌دهد. به گفته جامپِی یاماگیشی این مدل می‌تواند پایه‌ای برای تدوین قوانین جهانی رشد باشد و به درک بهتر واکنش سلول‌ها، اکوسیستم‌ها و حتی زیست‌کره به تغییرات محیطی کمک کند.

کاربرد‌های صنعتی، کشاورزی و زیست‌محیطی

این یافته‌ها پیامد‌های کاربردی گسترده‌ای دارد؛ از بهینه‌سازی تولیدات میکروبی در صنعت تا افزایش بهره‌وری کشاورزی از طریق شناسایی دقیق مواد مغذی محدودکننده. همچنین می‌تواند به پیش‌بینی واکنش اکوسیستم‌ها نسبت به تغییرات اقلیمی کمک کند.

پژوهشگران می‌گویند مطالعات آینده می‌تواند نشان دهد این اصل چگونه در موجودات مختلف و در شرایط گوناگون استفاده هم‌زمان از چند ماده مغذی به کار می‌رود؛ مسیری که می‌تواند به ایجاد بنیانی جهانی برای درک محدودیت‌های رشد در حیات منجر شود.