Une équipe de recherche comprenant un scientifique de l'Institut des sciences de la Terre et de la vie (ELSI) de l'Institut des sciences de Tokyo, au Japon, a identifié un nouveau principe en biologie qui explique mathématiquement pourquoi la croissance des organismes ralentit à mesure que les nutriments deviennent plus abondants – un phénomène connu sous le nom de « loi des rendements décroissants ».
Comprendre comment les organismes vivants se développent dans divers environnements nutritionnels est depuis longtemps une question centrale en biologie. Chez les microbes, les plantes et les animaux, la croissance est façonnée par la disponibilité des nutriments, de l’énergie et de la machinerie cellulaire. Bien que des recherches approfondies aient exploré ces limites, la plupart des études se concentrent uniquement sur des nutriments individuels ou sur des réactions biochimiques spécifiques, laissant une question plus vaste sans réponse : comment des processus cellulaires complexes et interconnectés régulent-ils collectivement la croissance dans des conditions contraintes ?
Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche composée du professeur agrégé spécialement nommé Tetsuhiro S. Hatakeyama de l'ELSI et du chercheur postdoctoral spécial RIKEN Jumpei F. Yamagishi a découvert un principe unificateur qui explique comment toutes les cellules vivantes régulent la croissance lorsque les ressources sont limitées. Leur étude introduit le principe de contrainte globale pour la croissance microbienne, un concept qui pourrait transformer la façon dont les scientifiques abordent l’étude des systèmes biologiques.
Pendant près de huit décennies, les chercheurs se sont appuyés sur « l’équation de Monod » en microbiologie, formulée dans les années 1940, pour décrire la croissance microbienne. Selon l’équation de Monod, les taux de croissance augmentent avec l’augmentation des nutriments avant d’atteindre une croissance stable. Cependant, le modèle suppose qu’une seule réaction nutritive ou biochimique restreint la croissance microbienne. En fait, les cellules effectuent des milliers de processus chimiques en interaction, tous en compétition pour les mêmes ressources limitées.
Selon l’équipe, l’équation de Monod ne reflète qu’une partie du tableau. Plutôt qu’un simple goulot d’étranglement, la croissance cellulaire est façonnée par un réseau de contraintes agissant ensemble, entraînant un aplatissement familier des taux de croissance, bien que provoqué par une raison totalement différente. Le principe de contrainte globale explique le fait que lorsqu’un nutriment devient plus abondant, d’autres facteurs tels que la disponibilité des enzymes, le volume cellulaire ou la capacité membranaire commencent à limiter la croissance. En utilisant une méthode appelée « modélisation basée sur les contraintes » qui modélise la façon dont les cellules gèrent leurs ressources, l’équipe a montré que l’ajout de plus de nutriments aide toujours les microbes à se développer, mais que chaque nutriment supplémentaire a un effet moindre sur la croissance que le précédent.
« La forme des courbes de croissance émerge directement de la physique de l'allocation des ressources à l'intérieur des cellules, plutôt que de dépendre d'une réaction biochimique particulière », explique Hatakeyama.
Ce nouveau principe réunit deux lois biologiques classiques : l'équation de Monod, qui décrit la croissance microbienne, et la loi du minimum de Liebig, qui stipule que la croissance d'une plante est limitée par le nutriment le plus rare, comme l'azote ou le phosphore. En d’autres termes, même si une plante contient beaucoup de nutriments, elle ne peut croître que dans la mesure où le nutriment le plus rare le permet. En combinant ces concepts, les chercheurs ont créé un modèle de « tonneau en terrasse ». Dans ce modèle, différents facteurs limitants entrent en vigueur séquentiellement à mesure que les nutriments augmentent. Cela explique pourquoi les microbes et les organismes supérieurs affichent des rendements décroissants et la croissance ralentit même lorsque davantage de nutriments sont ajoutés, car un nouveau facteur limitant devient dominant.
Hatakeyama compare sa théorie à une version mise à jour du tonneau de Liebig, dans lequel une plante ne peut croître que dans la mesure où sa tige la plus courte (c'est-à-dire son nutriment le plus limité) le permet. « Dans notre modèle, les douelles du tonneau s'étalent par étapes », explique-t-il, « chaque étape représentant un nouveau facteur limitant qui devient actif à mesure que la cellule se développe plus rapidement. »
Pour tester leur théorie, l'équipe a utilisé des modèles informatiques à grande échelle de Escherichia coliqui incluent la manière dont les cellules utilisent les protéines, la façon dont elles sont spatialement emballées et les capacités de leurs membranes. Les simulations ont montré le ralentissement prévu de la croissance à mesure que davantage de nutriments étaient ajoutés et ont révélé comment les niveaux d’oxygène ou d’azote affectent les modèles de croissance. Les résultats concordaient bien avec les expériences en laboratoire, confirmant l'exactitude du modèle.
Cette découverte offre une nouvelle perspective pour examiner la croissance dans toutes les formes de vie. Combinant différents principes, le principe de contrainte globale explique des comportements biologiques complexes sans avoir besoin de modéliser chaque molécule en détail.
Notre travail jette les bases des lois universelles de la croissance. En comprenant les limites qui s'appliquent à tous les systèmes vivants, nous pouvons mieux prédire comment les cellules, les écosystèmes et même des biosphères entières réagissent aux environnements changeants. »
Jumpei F. Yamagishi, chercheur postdoctoral spécial RIKEN
L'importance de la recherche va au-delà de la biologie fondamentale. Cela peut contribuer à améliorer la production microbienne dans l’industrie, à augmenter les rendements des cultures en identifiant les nutriments limitants et à guider les prévisions des réponses des écosystèmes face aux changements climatiques. De futures études pourraient aider à explorer comment ce principe s’applique à différents organismes et comment plusieurs nutriments sont utilisés ensemble. En reliant la biologie microbienne à la théorie écologique, cette étude franchit une étape majeure vers une fondation universelle permettant de comprendre les limites de la croissance de la vie.
