Estudo propõe novo princípio na biologia para explicar o crescimento em todas as formas de vida

Os cientistas identificaram um princípio matemático por trás dessa relação, chamado “lei dos rendimentos decrescentes”. O estudo foi publicado em 3 de outubro na revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

“Há décadas tentamos entender como os processos celulares complexos se coordenam para sustentar o crescimento”, conta Jumpei Yamagishi, da Universidade de Tóquio, em comunicado. “Nosso trabalho mostra que há um princípio simples que une esses processos sob uma mesma lógica matemática”.

A descoberta oferece uma nova perspectiva para analisar o crescimento em todas as formas de vida, de micróbios a plantas e animais. Além de seu valor fundamental para a biologia, o princípio pode ter aplicações práticas na indústria biotecnológica, na agricultura e até em estudos sobre mudanças climáticas, ajudando a prever como organismos e ecossistemas responderão a diferentes condições ambientais.

De modo mais específico, a equipe buscava responder à seguinte questão: como as células vivas regulam o crescimento quando todos os seus recursos – enzimas, espaço, energia e nutrientes – competem simultaneamente? Para investigar isso, os cientistas desenvolveram um modelo baseado em restrições, simulando como as células alocam seus recursos de forma eficiente.

Eles descobriram que, embora adicionar mais nutrientes sempre aumente a taxa de crescimento microbiano, o ganho adicional diminui progressivamente. Isso está enraizado em um conceito que os autores chamam de “restrição global”: quando um nutriente se torna mais abundante, outros fatores passam a limitar o crescimento, como a disponibilidade de enzimas, o volume celular ou a capacidade da membrana.

“À medida que as células crescem mais rápido, novos fatores limitantes surgem, restringindo ainda mais o ritmo de expansão”, explica Tetsuhiro Hatakeyama, também da Universidade de Tóquio. “O formato das curvas de crescimento surge diretamente da física da alocação de recursos dentro das células, e não de uma reação bioquímica específica”.

Há quase 80 anos, o crescimento microbiano é descrito pela equação de Monod. Ela prevê que as taxas de crescimento aumentam conforme a quantidade de nutrientes disponíveis. Contudo, o modelo pressupõe que apenas um nutriente é limitante, o que torna a equação uma simplificação que ignora a interação simultânea de milhares de processos celulares.

O novo princípio da “lei dos rendimentos decrescentes” conecta essa equação clássica à lei do mínimo de Liebig, segundo a qual o crescimento de uma planta, por exemplo, é determinado pelo nutriente em menor quantidade, como nitrogênio ou fósforo.

No modelo da equipe japonesa, esses dois conceitos se unem em um mecanismo visualizado como um “barril em terraços”: cada aduela representa um fator limitante diferente, que se torna ativo à medida que o crescimento avança. “Em nosso modelo, as aduelas se distribuem em degraus, e cada degrau marca o surgimento de uma nova restrição”, detalhou Hatakeyama.

Para validar a teoria, os pesquisadores aplicaram o modelo a simulações em larga escala da bactéria Escherichia coli. Os experimentos incorporaram dados sobre como as células utilizam proteínas, organizam seus componentes e exploram a capacidade de suas membranas.

Os resultados mostraram exatamente o comportamento previsto: à medida que mais nutrientes foram adicionados, o crescimento desacelerou, com novos fatores limitantes surgindo sucessivamente. As simulações também revelaram como diferentes níveis de oxigênio e nitrogênio alteram os padrões de crescimento.

Segundo os autores, a descoberta pode transformar a maneira como cientistas modelam sistemas biológicos. Ao revelar um princípio matemático que conecta a biologia celular à ecologia, o estudo cria uma ponte entre escalas, isto é, do nível molecular aos ecossistemas globais. “Compreender os limites que se aplicam a todos os sistemas vivos nos ajuda a prever como células, ecossistemas e até biosferas inteiras respondem a ambientes em constante mudança”, disse Yamagishi.

Os próximos passos incluem investigar como a "lei dos rendimentos decrescentes" se aplica a diferentes organismos e como múltiplos nutrientes interagem simultaneamente. Para os pesquisadores, esse é um avanço em direção a uma base universal para compreender os limites fundamentais do crescimento da vida.