Aby lepiej zrozumieć zegar dobowy u współczesnych sinic, japoński zespół badawczy zbadał starożytne systemy utrzymywania czasu. Badali oni oscylację białek zegarowych KaiA, KaiB i KaiC (białek Kai) u współczesnych cyjanobakterii i porównali ją z funkcją białek Kai ich przodków. Wyniki ich badań zostały opublikowane w Nature Communications.

Lepsze zrozumienie fizjologicznego pochodzenia systemów zegara okołodobowego

„Dzisiejsze cyjanobakterie wykorzystują zegar oko łodobowy do przewidywania cyklu światło-ciemność Ziemi w oparciu o jej obrót, osiągając w ten sposób wydajne reakcje fotosyntetyczne. Chcieliśmy dowiedzieć się, kiedy starożytne bakterie opracowały zegar dobowy i jak ta cecha została przekazana dzisiejszym cyjanobakteriom” – wyjaśnia Atsushi Mukaiyama, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Prefekturalnym Fukui.

Cyjanobakterie, czasami nazywane niebiesko-zielonymi algami, to fotosyntetyzujące bakterie, które mają istotny wpływ na ziemskie oceany i atmosferę. Naukowcy wiedzą, że ostatni wspólny przodek sinic pojawił się około 3 miliardy lat temu. Ewoluowały one do dzisiejszego ekosystemu podczas Wielkiego Utleniania, które miało miejsce około 2,3 miliarda lat temu, kiedy wzrosła zawartość tlenu w ziemskiej atmosferze. Rozwój ten był kontynuowany podczas co najmniej dwóch wydarzeń związanych z kulą śnieżną Ziemi około 2,4 i 0,7 miliarda lat temu, kiedy planeta była pokryta lodem, a także podczas wzbogacania w tlen w erze neoproterozoicznej, kiedy zawartość tlenu na Ziemi wzrosła po raz drugi. Wzbogacenie w tlen w erze neoproterozoicznej miało miejsce między 800 a 540 milionów lat temu.

Na podstawie skamieniałości i molekularnych modeli ewolucyjnych naukowcy podejrzewają, że najnowszy wspólny przodek cyjanobakterii posiadał już prymitywne systemy fotosyntezy tlenu. Wydajność fotosyntezy jest silnie uzależniona od cykli światło-ciemność w środowisku. Zespół badawczy chciał zbadać, czy prymitywne cyjanobakterie posiadały system czasowy, w którym fotosynteza stała się aktywna podczas Wielkiego Zdarzenia Utleniania. Mogłoby to pomóc naukowcom zrozumieć fizjologiczne pochodzenie systemów zegara okołodobowego.

Zegar dobowy cyjanobakterii

Naukowcy zidentyfikowali zegary okołodobowe, tj. wewnętrzne zegary, które powodują, że organizm funkcjonuje zgodnie z 24-godzinnym rytmem, w różnych organizmach, takich jak bakterie, grzyby, rośliny i ssaki. Zespół badawczy badał zegar okołodobowy cyjanobakterii przy użyciu szczepu cyjanobakterii Synechococcus elongatus. Zrekonstruowali oscylator zegarowy w probówce testowej przy użyciu białka zegarowego KaiC. Zbadali również funkcję i strukturę oryginalnych białek Kai, aby określić, w jaki sposób samopodtrzymujące się oscylatory białek Kai ewoluowały w czasie.

Ponieważ wiadomo, że cykle światło-ciemność wpływają na wydajność fotosyntezy u cyjanobakterii, zespół chciał dowiedzieć się, czy starożytne cyjanobakterie miały już samopodtrzymujący się zegar dobowy, gdy miały miejsce starożytne procesy utleniania i po raz pierwszy pojawiły się systemy fotosyntetyczne. Odkryli, że szybsze zjawiska rytmiczne zostały zakodowane w białkach pierwotnego zegara. „Zegar starożytnych cyjanobakterii był zsynchronizowany z cyklem od 18 do 20 godzin. Oznacza to, że historię okresu obrotu Ziemi można zrekonstruować, śledząc ewolucję cząsteczek białek zegarowych” – wyjaśnił Yoshihiko Furuike, adiunkt w Instytucie Nauk Molekularnych.

Szybsza ewolucja

Odkrycia zespołu pokazują, że najstarsze KaiC u przodków bakterii nie miało funkcji i struktury niezbędnej do uzyskania właściwości rytmicznych. W drodze ewolucji molekularnej białka Kai przodków uzyskały niezbędną funkcję i strukturę około czasu globalnego utleniania i kuli śnieżnej Ziemi. Wreszcie, najnowszy wspólny przodek fotosyntetyzujących cyjanobakterii odziedziczył ten samopodtrzymujący się oscylator okołodobowy. Odkrycia te są niezwykle pomocne dla naukowców w zrozumieniu chronobiologii. „Naszym ostatecznym celem jest opracowanie zmodyfikowanych cyjanobakterii, które mogą dostosować się do okresów rotacji planet i satelitów innych niż Ziemia poprzez skrócenie lub wydłużenie okresu oscylatora białkowego Kai. Sinice potrzebowały dużo czasu, aby zsynchronizować swój zegar do 24 godzin, ale dzięki nowoczesnej wiedzy i technologii możemy osiągnąć jeszcze szybszą ewolucję” – powiedział Shuji Akiyama, profesor w Instytucie Nauk Molekularnych.