צוות מחקר הכולל מדען ממכון מדעי כדור הארץ (ELSI) במכון המדע של טוקיו, יפן, זיהה עיקרון חדש בביולוגיה שמסביר מתמטית מדוע צמיחת האורגניזמים מואטת ככל שחומרי הזנה הופכים לשופעים יותר – תופעה המכונה "חוק ההחזרים הפוחתים".
ההבנה כיצד אורגניזמים חיים גדלים בסביבות תזונתיות שונות היא כבר זמן רב שאלה מרכזית בביולוגיה. על פני חיידקים, צמחים ובעלי חיים, הצמיחה מעוצבת על ידי הזמינות של חומרים מזינים, אנרגיה ומכונות סלולריות. בעוד מחקר מקיף חקר את המגבלות הללו, רוב המחקרים מתמקדים רק בחומרי הזנה בודדים או בתגובות ביוכימיות ספציפיות, ומשאירים שאלה רחבה יותר ללא מענה: כיצד תהליכים תאיים מורכבים ומקושרים זה לזה מווסתים יחד את הצמיחה בתנאים מוגבלים?
כדי לתת מענה לכך, צוות מחקר המורכב מפרופסור-משנה מיוחד של ELSI Tetsuhiro S. Hatakeyama וחוקר פוסט-דוקטורט מיוחד של RIKEN Jumpei F. Yamagishi גילה עיקרון מאחד שמסביר כיצד כל התאים החיים מווסתים צמיחה כאשר המשאבים מוגבלים. המחקר שלהם מציג את עקרון האילוץ הגלובלי לגידול חיידקים, מושג שיכול לשנות את האופן שבו מדענים ניגשים לחקר מערכות ביולוגיות.
במשך כמעט שמונה עשורים, חוקרים הסתמכו על "משוואת המונוד" במיקרוביולוגיה, שנוסחה בשנות הארבעים, כדי לתאר גידול חיידקים. לפי משוואת מונוד, קצבי הגדילה עולים עם עלייה בחומרי הזנה לפני שמגיעים לצמיחה יציבה. עם זאת, המודל מניח שרק חומר תזונתי או תגובה ביוכימית אחת מגבילים את הצמיחה של חיידקים. למעשה, תאים מבצעים אלפי תהליכים כימיים המקיימים אינטראקציה, כולם מתחרים על אותם משאבים מוגבלים.
לדברי הצוות, משוואת מונוד תופסת רק חלק מהתמונה. במקום צוואר בקבוק בודד, הצמיחה הסלולרית מעוצבת על ידי רשת של אילוצים הפועלים יחד, וכתוצאה מכך השטחה המוכרת של קצבי הצמיחה, אם כי נגרמת מסיבה אחרת לגמרי. עיקרון האילוץ הגלובלי מסביר את העובדה שכאשר חומר תזונתי אחד הופך לשפע יותר, גורמים אחרים כגון זמינות האנזים, נפח התא או קיבולת הממברנה, מתחילים להגביל את הצמיחה. באמצעות שיטה הנקראת "מודלים מבוססי אילוצים" המדגמת כיצד תאים מנהלים את המשאבים שלהם, הצוות הראה שהוספת עוד חומרים מזינים תמיד עוזרת לחיידקים לצמוח, אך לכל רכיב תזונתי נוסף יש השפעה נמוכה יותר על הגדילה מהקודם.
"צורת עקומות הגדילה נובעת ישירות מהפיזיקה של הקצאת משאבים בתוך התאים, ולא תלויה בכל תגובה ביוכימית מסוימת", אומר Hatakeyama.
עיקרון חדש זה מאחד שני חוקים ביולוגיים קלאסיים: משוואת המונוד, המתארת צמיחה מיקרוביאלית, וחוק המינימום של ליביג, הקובע שגידול הצמח מוגבל על ידי חומר המזון שיש לו הכי מעט אספקה, כמו חנקן או זרחן. במילים אחרות, גם אם לצמח יש שפע של רוב אבות המזון, הוא יכול לגדול רק כמה שהחומר התזונתי הכי נדיר מאפשר. על ידי שילוב מושגים אלה, החוקרים יצרו דגם "חבית מדורגת". במודל זה, גורמים מגבילים שונים משפיעים ברצף ככל שחומרי הזנה גדלים. זה מסביר מדוע גם חיידקים וגם אורגניזמים גבוהים יותר מראים תשואות פוחתות והצמיחה מואטת גם כאשר מוסיפים עוד חומרים מזינים, מכיוון שגורם מגביל חדש הופך להיות דומיננטי.
Hatakeyama משווה את התיאוריה שלו לגרסה מעודכנת של החבית של ליביג, שבה צמח יכול לצמוח רק כמה שהן הקצר ביותר שלו (כלומר, חומר ההזנה המצומצם ביותר שלו) מאפשר. "במודל שלנו, עמודי הקנה פרוסים בצעדים", הוא מסביר, "כל צעד מייצג גורם מגביל חדש שהופך לפעיל ככל שהתא גדל מהר יותר".
כדי לבדוק את התיאוריה שלהם, הצוות השתמש במודלים ממוחשבים בקנה מידה גדול של Escherichia coliהכוללים את האופן שבו התאים מנצלים חלבונים, כיצד הם ארוזים במרחב, ואת היכולות של הממברנות שלהם. ההדמיות הראו את ההאטה החזויה של הצמיחה ככל שנוספו עוד חומרים מזינים וחשפו כיצד רמות החמצן או החנקן משפיעות על דפוסי הגדילה. התוצאות תאמו היטב את ניסויי המעבדה, ואיששו את דיוק המודל.
התגלית מספקת נקודת מבט רעננה להתבוננות בצמיחה בכל צורות החיים. שילוב של עקרונות שונים, עיקרון האילוץ הגלובלי מסביר התנהגויות ביולוגיות מורכבות ללא צורך במודל של כל מולקולה בודדת בפירוט.
העבודה שלנו מניחה את הבסיס לחוקים אוניברסליים של צמיחה. על ידי הבנת הגבולות החלים על כל המערכות החיות, נוכל לחזות טוב יותר כיצד תאים, מערכות אקולוגיות ואפילו ביוספרות שלמות מגיבים לסביבות משתנות".
Jumpei F. Yamagishi, חוקר פוסט-דוקטורט מיוחד של RIKEN
משמעות המחקר חורגת מעבר לביולוגיה בסיסית. זה עשוי לעזור לשפר את ייצור החיידקים בתעשייה, להגדיל את תפוקת היבולים על ידי איתור חומרים מזינים מגבילים, ולהנחות תחזיות של תגובות של מערכת אקולוגית תחת אקלים משתנה. מחקרים עתידיים יכולים לעזור לחקור כיצד העיקרון חל על אורגניזמים שונים והדרך שבה משתמשים בחומרים מזינים מרובים יחד. על ידי חיבור ביולוגיה מיקרוביאלית עם תיאוריה אקולוגית, מחקר זה לוקח צעד גדול לקראת בסיס אוניברסלי להבנת גבולות צמיחת החיים.
