Научниците демонстрираат едноставен принцип што објаснува како зголемените нивоа на хранливи материи ја менуваат стапката на раст на клетките, откривајќи универзален закон за микробен раст.
Истражувачи од Институтот за живот и науки за Земјата (ELSI) при Токискиот институт за наука идентификуваа нов принцип во биологијата кој математички објаснува зошто растот на организмите се забавува како што хранливите материи стануваат поизобилни – феномен познат како „закон за намалување на приносите“.
Разбирањето на тоа како живите организми растат под различни нутритивни услови долго време е централно прашање во биологијата. Кај микробите, растенијата и животните, растот е обликуван од достапноста на хранливи материи, енергија и клеточен механизам. Иако овие ограничувања се опширно истражени, повеќето студии се фокусираат само на поединечни хранливи материи или специфични биохемиски реакции, оставајќи го поширокото прашање неодговорено: како сложените, меѓусебно поврзани клеточни процеси работат заедно за да го регулираат растот под ограничени услови?
Истражувачите открија уникатен принцип што објаснува како сите живи клетки го регулираат растот кога ресурсите се ограничени. Студијата го воведува принципот на глобално ограничување на микробниот раст, концепт што би можел да го трансформира начинот на кој научниците пристапуваат кон проучувањето на биолошките системи.
Речиси осум децении, истражувачите се потпираат на „Моноовата равенка“ во микробиологијата, формулирана во 1940-тите, за да го опишат микробниот раст. Според Моноовата равенка, стапката на раст се зголемува со зголемување на хранливите материи пред да се достигне стабилен раст. Сепак, овој модел претпоставува дека само една хранлива материја или биохемиска реакција го ограничува микробниот раст. Всушност, клетките извршуваат илјадници меѓусебно поврзани хемиски процеси, сите натпреварувајќи се за истите ограничени ресурси.
Затоа, равенката на Моно би претставувала само дел од сликата. Наместо едно тесно грло, растот на клетките е обликуван од мрежа на ограничувања што дејствуваат заедно, што резултира со познатото усогласување на стапките на раст, иако од многу поинаква причина.
Принципот на глобално ограничување го објаснува фактот дека – кога една хранлива материја станува поизобилна – други фактори како што се достапноста на ензимите, големината на клетките или капацитетот на мембраната, почнуваат да го ограничуваат растот. Користејќи го методот на „моделирање базирано на ограничувања“, кој моделира како клетките управуваат со своите ресурси, истражувачите покажаа дека додавањето повеќе хранливи материи секогаш им помага на микробите да растат, но секоја дополнителна хранлива материја има помал ефект врз растот од претходната.
Обликот на кривите на раст произлегува директно од физиката на распределба на ресурсите во клетките и не зависи од никаква специфична биохемиска реакција“, велат истражувачите.
Новиот принцип комбинира два класични биолошки закони: Моноовата равенка, која го опишува растот на микробите, и Либиговиот закон за минимумот, кој тврди дека растот на растенијата е ограничен од хранливите материи што ги има најмалку, како што се азот или фосфор. Со други зборови, дури и ако растението има доволно од повеќето хранливи материи, тоа може да расте само онолку колку што му дозволува најретката хранлива материја.
Со комбинирање на овие концепти, истражувачите создадоа модел на „терасирано буре“ – различни ограничувачки фактори дејствуваат последователно како што растат хранливите материи. Ова објаснува зошто и микробите и повисоките организми покажуваат намалени приноси, а растот се забавува дури и кога се додаваат повеќе хранливи материи, бидејќи новиот ограничувачки фактор станува доминантен.
За тестирање на теоријата беа користени обемни компјутерски модели на Escherichia coli, вклучувајќи го и начинот на кој клетките ги користат протеините, како се просторно групирани и капацитетите на нивните мембрани. Симулациите го покажаа предвиденото забавување на растот при додавање повеќе хранливи материи и открија како нивоата на кислород или азот влијаат врз моделите на раст. Резултатите беа во добра согласност со лабораториските експерименти, потврдувајќи ја точноста на моделот.
Откритието дава нова перспектива за растот на сите форми на живот. Преку комбинација од различни принципи, принципот на глобално ограничување објаснува сложени биолошки однесувања без потреба од детално моделирање на секоја молекула.
„Нашата работа ги поставува темелите за универзалните закони на раст. Со разбирање на ограничувањата што важат за сите живи системи, можеме подобро да предвидиме како клетките, екосистемите, па дури и целата биосфера реагираат на промените во животната средина“, велат истражувачите.
Важноста на истражувањето оди подалеку од основната биологија. Тоа може да помогне во подобрувањето на микробното производство во индустријата, зголемувањето на приносите на земјоделските култури преку идентификување на ограничувачките хранливи материи и управувањето со предвидувањата за реакциите на екосистемот на променливите климатски услови.
Идните студии би можеле да помогнат во истражувањето на примената на принципот кај различни организми и како да се користат повеќе хранливи материи заедно. Со поврзување на микробната биологија со еколошката теорија, оваа студија прави голем чекор кон универзална основа за разбирање на границите на растот на животот.
The post Како се поврзани метаболизмот и растот на клетките – мистерија стара повеќе од 180 години appeared first on Во Центар.
