Japonský výskumný tím skúmal starodávne systémy merania času, aby lepšie pochopil cirkadiánne hodiny v moderných siniciach. Skúmali osciláciu hodinových proteínov KaiA, KaiB a KaiC (proteíny Kai) v moderných siniciach a porovnali ju s funkciou proteínov Kai ich predkov. Výsledky ich výskumu boli publikované v časopise Nature Communications.
Lepšie pochopenie fyziologického pôvodu cirkadiánnych hodinových systémov
„Dnešné sinice používajú cirkadiánne hodiny na predvídanie cyklu svetla a tmy na Zemi na základe jej rotácie, čím dosahujú efektívne fotosyntetické reakcie. Chceli sme zistiť, kedy sa u dávnych baktérií vyvinuli cirkadiánne hodiny a ako sa táto vlastnosť preniesla na dnešné sinice,“ vysvetľuje Atsushi Mukaiyama, docent na Fukui Prefectural University.
Sinice, niekedy nazývané sinice, sú fotosyntetizujúce baktérie, ktoré majú významný vplyv na oceány a atmosféru Zeme. Vedci vedia, že posledný spoločný predok siníc vznikol približne pred 3 miliardami rokov. Do dnešného ekosystému sa vyvinuli počas Veľkej oxidačnej udalosti, ktorá sa odohrala približne pred 2,3 miliardy rokov, keď sa zvýšil obsah kyslíka v zemskej atmosfére. Tento vývoj pokračoval počas najmenej dvoch udalostí snehovej gule na Zemi pred približne 2,4 a 0,7 miliardy rokov, keď bola planéta pokrytá ľadom, ako aj počas obohacovania kyslíka v neoproterozoiku, keď sa obsah kyslíka na Zemi zvýšil druhýkrát. Obohacovanie kyslíkom v ére neoproterozoika prebiehalo pred 800 až 540 miliónmi rokov.
Na základe fosílií a molekulárnych evolučných modelov vedci predpokladajú, že už posledný spoločný predok siníc mal primitívne systémy kyslíkovej fotosyntézy. Účinnosť fotosyntézy je silne ovplyvnená svetelno-tmavými cyklami v prostredí. Výskumný tím chcel zistiť, či primitívne sinice mali časový systém, keď sa fotosyntéza stala aktívnou počas Veľkej oxidačnej udalosti. To by mohlo pomôcť vedcom pochopiť fyziologický pôvod systémov cirkadiánnych hodín.
Cirkadiánne hodiny siníc
Vedci identifikovali cirkadiánne hodiny, t. j. vnútorné časovače, ktoré spôsobujú, že organizmus funguje podľa 24-hodinového rytmu, v rôznych organizmoch, ako sú baktérie, huby, rastliny a cicavce. Výskumný tím skúmal cirkadiánne hodiny cyanobaktérií pomocou kmeňa cyanobaktérií Synechococcus elongatus. Hodinový oscilátor rekonštruovali v skúmavke pomocou hodinového proteínu KaiC. Skúmali tiež funkciu a štruktúru pôvodných proteínov Kai, aby zistili, ako sa v priebehu času vyvíjali samočinné oscilátory proteínu Kai.
Keďže je známe, že cykly svetla a tmy ovplyvňujú účinnosť fotosyntézy u cyanobaktérií, tím chcel zistiť, či dávne cyanobaktérie mali sebestačné cirkadiánne hodiny už v čase, keď prebiehali dávne oxidačné procesy a prvýkrát sa objavili fotosyntetické systémy. Zistili, že rýchlejšie rytmické javy boli zakódované v proteínoch prvotných hodín. „Hodiny dávnych cyanobaktérií boli synchronizované na cyklus 18 až 20 hodín. To znamená, že históriu periódy rotácie Zeme bolo možné rekonštruovať sledovaním evolúcie molekúl hodinových proteínov,“ vysvetlil Yoshihiko Furuike, odborný asistent na Ústave molekulárnych vied.
Rýchlejšia evolúcia
Zistenia tímu ukazujú, že najstarší KaiC v predkoch baktérií nemal funkciu a štruktúru potrebnú pre rytmické vlastnosti. Prostredníctvom molekulárnej evolúcie získali proteíny Kai predkov potrebnú funkciu a štruktúru približne v čase globálnej oxidácie a snehovej gule Zeme. Napokon posledný spoločný predok fotosyntetizujúcich cyanobaktérií zdedil tento sebestačný cirkadiánny oscilátor. Tieto zistenia sú pre vedcov mimoriadne užitočné pri pochopení chronobiológie. „Naším konečným cieľom je vyvinúť modifikované sinice, ktoré sa dokážu prispôsobiť perióde rotácie iných planét a satelitov ako Zeme skrátením alebo predĺžením periódy oscilátora proteínu Kai. Sinice potrebovali dlhý čas na to, aby synchronizovali svoje hodiny na 24 hodín, ale s modernými poznatkami a technológiami by sme mohli dosiahnuť ešte rýchlejšiu evolúciu,“ povedal Shuji Akiyama, profesor z Ústavu molekulárnych vied.
