Publié le 15 novembre 2024 à 14h30. Des chercheurs japonais ont mis au point un nouveau modèle mathématique expliquant pourquoi la croissance des organismes vivants ralentit à mesure que les nutriments se multiplient, un phénomène connu sous le nom de loi des rendements décroissants. Cette découverte pourrait avoir des implications majeures dans des domaines aussi variés que la biotechnologie et l’agriculture.
- Un nouveau principe, le « principe de contrainte globale », unifie la compréhension de la croissance microbienne.
- Ce modèle intègre des lois biologiques fondamentales comme l’équation de Monod et la loi du minimum de Liebig.
- Des simulations informatiques et des expériences en laboratoire confirment la validité du modèle.
La question de savoir comment les organismes vivants se développent en fonction de leur environnement nutritionnel est au cœur de la biologie depuis des décennies. Qu’il s’agisse de micro-organismes, de plantes ou d’animaux, la croissance est intrinsèquement liée à l’accès aux nutriments, à l’énergie et aux processus cellulaires internes. Si les scientifiques ont étudié l’impact de facteurs individuels, la compréhension de l’interaction de tous ces éléments pour contrôler la croissance en situation de ressources limitées restait incomplète.
Tetsuhiro S. Hatakeyama, professeur associé à l’Institut des sciences de la Terre et de la vie (ELSI) de l’Institut des sciences de Tokyo, et Jumpei F. Yamagishi, chercheur postdoctoral au RIKEN, ont proposé un nouveau concept unificateur. Leur travail introduit le « principe de contrainte globale » pour la croissance microbienne, un cadre théorique qui pourrait transformer notre compréhension des systèmes biologiques.
Depuis les années 1940, les microbiologistes s’appuient sur l’« équation de Monod » pour décrire la croissance des micro-organismes. Ce modèle suggère que la croissance augmente avec l’apport de nutriments jusqu’à atteindre un plateau. Cependant, l’équation de Monod suppose qu’un seul facteur limite la croissance. Or, les cellules sont le siège de milliers de réactions chimiques simultanées qui doivent partager des ressources limitées.
Selon Hatakeyama et Yamagishi, la croissance cellulaire n’est pas simplement freinée par un seul facteur, mais plutôt par un réseau complexe de limitations qui interagissent. Le principe de contrainte globale explique que lorsque la disponibilité d’un nutriment augmente, d’autres contraintes, telles que la production d’enzymes, le volume cellulaire ou la surface membranaire, deviennent prédominantes.
L’équipe a utilisé une technique de « modélisation basée sur les contraintes » pour simuler la distribution et la gestion des ressources internes au sein des cellules. Les résultats ont montré que l’ajout de nutriments favorise la croissance, mais que le bénéfice de chaque nutriment supplémentaire diminue progressivement.
« 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. »
Tetsuhiro S. Hatakeyama, professeur associé à l’ELSI
Ce nouveau principe unifie deux lois fondamentales de la croissance : l’équation de Monod et la loi du minimum de Liebig. Cette dernière stipule que la croissance d’une plante est limitée par le nutriment le plus rare. Les chercheurs ont créé un modèle qu’ils appellent le « tonneau en terrasses ». Dans ce modèle, de nouvelles contraintes apparaissent progressivement à mesure que la disponibilité des nutriments augmente, expliquant ainsi pourquoi les organismes connaissent des rendements décroissants même dans des conditions optimales.
Hatakeyama compare ce modèle à une version actualisée de l’analogie du tonneau de Liebig, où la croissance est limitée par la plus petite latte, représentant la ressource la plus rare. « Dans notre modèle, les lattes du tonneau s’étendent 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 valider leur hypothèse, les chercheurs ont créé des modèles informatiques à grande échelle de la bactérie Escherichia coli, intégrant des données sur l’utilisation des protéines, l’encombrement cellulaire et les limites physiques des membranes. Les simulations ont prédit avec précision le ralentissement de la croissance observé lors de l’ajout de nutriments et ont montré l’influence des niveaux d’oxygène et d’azote. Des expériences en laboratoire ont confirmé la correspondance entre les prédictions du modèle et le comportement biologique réel.
Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre la croissance de la vie, sans nécessiter la modélisation de chaque molécule ou réaction. Le principe de contrainte globale fournit un cadre unificateur pour de nombreux aspects de la biologie. « Notre travail pose les bases de lois universelles de la croissance », affirme Yamagishi. « En comprenant les limites qui s’appliquent à tous les systèmes vivants, nous pouvons mieux prédire la façon dont les cellules, les écosystèmes et même des biosphères entières réagissent aux changements environnementaux. »
Les applications potentielles sont vastes : amélioration de la production microbienne en biotechnologie, optimisation des rendements agricoles grâce à une meilleure gestion des nutriments, et modélisation plus précise des réactions des écosystèmes au changement climatique. Les recherches futures exploreront l’application de ce principe à différents types d’organismes et l’interaction de plusieurs nutriments sur la croissance.
L’ Institut des sciences de la Terre et de la vie (ELSI) est un centre de recherche japonais de premier plan, faisant partie de l’initiative World Premiere International (WPI). Il vise à favoriser des avancées scientifiques interdisciplinaires en attirant des chercheurs de renommée mondiale pour collaborer sur des problèmes scientifiques complexes. L’ELSI se concentre sur l’étude de l’origine et de la coévolution de la Terre et de la vie.
L’ Institut des sciences de Tokyo (Science Tokyo) a été créé le 1er octobre 2024, par la fusion de l’Université médicale et dentaire de Tokyo (TMDU) et de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech). Sa mission est de « faire progresser la science et le bien-être humain afin de créer de la valeur pour et avec la société ».
L’initiative Première initiative mondiale de centre de recherche international (WPI), lancée en 2007 par le ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie (MEXT), soutient un réseau de centres de recherche d’élite qui fonctionnent avec un haut degré d’indépendance et de collaboration mondiale. Le programme est géré par la Société japonaise pour la promotion de la science (JSPS).
Le RIKEN, le plus grand institut de recherche japonais en sciences fondamentales et appliquées, publie chaque année plus de 2 500 articles dans des revues de premier plan dans les domaines de la physique, de la chimie, de la biologie, de l’ingénierie et de la médecine. Reconnu pour son approche interdisciplinaire et internationale, RIKEN a acquis une réputation mondiale d’excellence scientifique.