Nowe badania wykazały, że prosty zegar dobowy ma potężne zdolności filtrowania szumów, poprawiając nasze zrozumienie tego, w jaki sposób obwody biologiczne utrzymują swoją dokładność w dynamicznych środowiskach naturalnych. Badanie podkreśla niezwykłą zdolność zegarów okołodobowych do dostosowywania się do wahań środowiskowych przy jednoczesnym zachowaniu ich dokładności. Odkrycia te są ważne dla zrozumienia, w jaki sposób organizmy – od bakterii po ludzi – mierzą czas w odpowiedzi na zmiany zewnętrzne, takie jak światło i temperatura spowodowane 24-godzinnym obrotem Ziemi.

Badanie opublikowane w Nature Communications, w którym udział wzięli naukowcy z Sainsbury Laboratory na University of Cambridge, Imperial College London, University of Warwick i Forschungszentrum Jülich, wykazało, że zegar okołodobowy selektywnie filtruje wahania sygnałów środowiskowych, takich jak zmiany czasu trwania i intensywności światła. Pozwala to zegarowi ignorować drobne zakłócenia, jednocześnie reagując na znaczące zmiany środowiskowe.

Zegar okołodobowy potrafi odróżnić znaczące bodźce od szumu środowiskowego

Każdy, kto kiedykolwiek przekroczył wiele stref czasowych i doświadczył jet lagu, wie, jak silnie wpływają na nas nasze zegary biologiczne. W rzeczywistości każda komórka w ludzkim ciele ma swój własny zegar molekularny, który reguluje cykle dobowe w ciągu 24 godzin. Ważne jest, aby wewnętrzne zegary komórek pozostawały zsynchronizowane przez długi czas, ale także aby mogły dostosowywać się do zmian w środowisku. Stopniowe zanikanie objawów jet lag ilustruje, w jaki sposób nasze wewnętrzne zegary dostosowują się do takich nowych warunków – dostosowując nasz zegar dobowy do nowego cyklu dzień-noc w innej strefie czasowej.

Większość żywych organizmów również posiada wewnętrzne zegary, które kontrolują funkcje biologiczne. Rośliny, na przykład, muszą wiedzieć, kiedy przygotować swój aparat fotosyntetyczny na nadejście świtu. Ponieważ świt pojawia się wcześniej każdego dnia od wiosny do lata, zegary okołodobowe roślin muszą dostosowywać się do różnych długości dnia. Nie mogą być jednak kuszone przez przechodzącą chmurę, aby zatrzymać procesy zbierania światła. Aby zrozumieć, w jaki sposób zegar okołodobowy odróżnia znaczące bodźce od szumu środowiskowego, takiego jak tymczasowe zmiany światła, grupa Locke’a z Sainsbury Laboratory w Cambridge wykorzystała najprostszy znany organizm z zegarem okołodobowym – cyjanobakterię o nazwie Synechococcus elongatus. Ten jednokomórkowy organizm słodkowodny jest fotosyntetyzujący i, podobnie jak rośliny, musi śledzić czas, aby jak najlepiej wykorzystać czas spędzony w świetle.

Zegary cyjanobakterii są niezwykle wytrzymałe

Dr Sasha Eremina, pierwsza autorka badania, która przeprowadziła badania w ramach swojego doktoratu, powiedziała: „Najpierw zbadaliśmy wewnętrzną dokładność rytmów okołodobowych przy ciągłym oświetleniu. W tym celu opracowaliśmy urządzenie mikroprzepływowe o nazwie „Green Mother Machine”, aby utrzymać oryginalną komórkę macierzystą w górnej części komory wzrostu, dzięki czemu mogliśmy obrazować komórkę za pomocą długoterminowej mikroskopii fluorescencyjnej poklatkowej. Dzięki naszej konfiguracji byliśmy w stanie obserwować wzrost poszczególnych komórek i ekspresję genów przez kilka dni z precyzją, która nie była możliwa w poprzednich badaniach”.

Zespół rozpoczął pracę nad Green Mother Machine w 2016 roku, opierając się na wcześniejszych projektach Mother Machine opracowanych dla bakterii niefotosyntetyzujących. Okazało się, że cyjanobakterie są znacznie trudniejsze do wyhodowania w tych mikrośrodowiskach niż inne mikroby. „Potrzeba było lat eksperymentów, aby przezwyciężyć wyzwania techniczne i upewnić się, że mamy odpowiedni materiał na rurki, odpowiednią konstrukcję chipa i właściwą integrację z systemem kontroli światła, aby nie uszkodzić fotosyntezy i błon komórkowych” – powiedział dr Bruno Martins z University of Warwick. Naukowcy wykazali, że zegary cyjanobakterii są wyjątkowo solidne pomimo ciągłego zakłócania komponentów zegara i mechanizmów regulacyjnych przez szum komórkowy. Odporność ta pozwala komórkom na synchronizację przez setki dni.

Jak obwody biologiczne mogą precyzyjnie funkcjonować w naturalnych środowiskach

Zegar cyjanobakterii składa się z trzech białek Kai, które stale wiążą się i rozdzielają pod wpływem procesu biochemicznego zwanego fosforylacją, co skutkuje rytmicznym 24-godzinnym cyklem. Korzystając z modeli matematycznych i mutagenezy, naukowcy byli w stanie wykazać, że ta solidność jest zakorzeniona w rdzeniu oscylatora opartego na białku Kai, a nie w szerszej sieci regulacyjnej genów. Odkrycie to jest obiecujące dla tych, którzy pracują nad zastosowaniami biologii syntetycznej, gdzie stabilne systemy utrzymywania czasu są niezbędne.

Naukowcy wystawili również zegar cyjanobakterii na złożone cykle światło-ciemność, w tym sztuczne i naturalne środowiska, aby zrozumieć, jak radzi sobie z codziennymi zmianami pogody. Co ciekawe, odtworzyli realistyczne wzorce światła meteorologicznego z Morza Karaibskiego, na które zegary komórkowe zareagowały w sposób przewidziany przez ich model matematyczny. Pomimo różnych warunków oświetleniowych, zegar cyjanobakterii wykazał niezwykłą zdolność do odfiltrowywania szumów środowiskowych przy jednoczesnym zachowaniu pewnej wrażliwości na zmiany w środowisku. Według naukowców, ich wyniki ilustrują, w jaki sposób prosta sieć zegarowa może wykazywać złożone właściwości filtrowania szumów i pogłębiają nasze zrozumienie tego, w jaki sposób obwody biologiczne mogą precyzyjnie funkcjonować w środowiskach naturalnych.