A régi modellek korlátai
A mikrobiológia évtizedek óta a Monod-egyenletet használja, ami kimondja: minél több a tápanyag, annál gyorsabban nőnek a mikrobák – egészen addig, míg a növekedési sebesség egy bizonyos szinten meg nem áll. Ez a modell azonban abból indul ki, hogy mindig csak egyetlen tápanyag vagy reakció korlátozza a szaporodást, miközben valójában a sejtek ezernyi összetett folyamattal párhuzamosan zsonglőrködnek a rendelkezésre álló belső erőforrásokkal. Fontos megjegyezni, hogy ezzel szemben a valódi növekedési dinamika jóval bonyolultabb és összetettebb, mint ahogy azt a Monod-egyenlet feltételezi.
Új szemlélet a növekedés korlátairól
Tetsuhiro S. Hatakeyama, a Tokiói Tudományos Intézet kutatója, és Jumpei F. Yamagishi a RIKEN-től kidolgozta a globális korlátelvet. Eszerint a sejtek növekedését egyszerre számos tényező szabályozza: amikor egy szűk keresztmetszet – például egy bizonyos tápanyaghiány – megszűnik, a helyét rögtön újabb korlátozó tényezők, például a sejt térfogata, membránja vagy enzimeinek előállítási képessége veszik át. Ezek a gátló tényezők lépésről lépésre jelennek meg, ahogy a sejt nő, és egyre jobb körülmények között szaporodik.
A teraszos hordómodell
A kutatók a klasszikus Liebig-féle minimumtörvényt – miszerint a növekedést a legszűkösebb erőforrás korlátozza – kombinálták a Monod-egyenlettel, és kidolgozták a teraszos hordómodellt. Ebben a képben a hordó dongái lépcsőzetesen helyezkednek el, minden új szint egy újabb, hirtelen előtérbe lépő korlátozó tényezőt jelez. Ettől függetlenül, bármennyi tápanyagot is adunk hozzá, minden egyes plusz adag egyre kevésbé fokozza a növekedést, mert mindig akad egy újabb korlát.
Bizonyítás a mikrovilágban
A tudósok nagyszabású számítógépes szimulációval vizsgálták az Escherichia coli baktérium növekedését, amelybe beleszámították a fehérjehasználatot, a sejten belüli zsúfoltságot és a membrán korlátait is. Ezek a modellek pontosan előrejelezték, hogyan lassul a szaporodás további tápanyagbevitel hatására, és megmutatták, hogyan befolyásolják a növekedést például az oxigén- és a nitrogénszint. A laboratóriumi kísérletek megerősítették a számítógépes modellek érvényességét.
Jövőbeli lehetőségek és következtetések
Ennek fényében az új elv jelentős előnyt kínál: a biológusok immár nemcsak egy vagy néhány molekula elemzésével, hanem átfogóbb, univerzális szemlélettel érthetik meg az élőlények növekedési korlátait. Ez nagyban segítheti a biotechnológiai iparágakat a mikroorganizmusok hatékonyabb hasznosításában, javíthatja a növényi terméshozamokat és pontosabbá teheti az ökológiai rendszerek, sőt egész bioszférák működésének előrejelzését. A kutatás egy lépéssel közelebb visz egy olyan általános elv megfogalmazásához, amely minden élő rendszer növekedési korlátjait leírja – és új lehetőségeket teremt a Föld élővilágának jobb megértésében.
