Wissenschaftler der UC Merced haben künstliche Zellen entwickelt, die die Zeit perfekt messen können – ähnlich wie die 24-Stunden-Biologische Uhr in lebenden Organismen. Durch die Rekonstruktion des circadianen Mechanismus in winzigen Vesikeln konnten die Forscher zeigen, dass selbst vereinfachte synthetische Systeme im Tagesrhythmus leuchten können – sofern sie über genügend Proteine verfügen.

Ein Team von Forschern der UC Merced hat ergeben, dass winzige künstliche Zellen die Zeit genau messen können, und dabei den täglichen Rhythmus lebender Organismen nachahmen. Ihre Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie biologische Uhren trotz der molekularen Störsignale innerhalb der Zellen ihren Takt halten. Die Studie, die kürzlich in Nature Communications veröffentlicht wurde, wurde von Anand Bala Subramaniam, Professor für Bioingenieurwesen, und Andy LiWang, Professor für Chemie und Biochemie, geleitet. Der Erstautor, Alexander Zhang Tu Li, promovierte in Subramaniams Labor.

Forschung vertieft unser Verständnis der biologischen Zeitmessung in allen Lebensformen

Biologische Uhren – auch als circadiane Rhythmen bekannt – steuern 24-Stunden-Zyklen, die Schlaf, Stoffwechsel und andere lebenswichtige Prozesse regulieren. Um die Mechanismen hinter den circadianen Rhythmen von Cyanobakterien zu erforschen, rekonstruierten die Forscher das Uhrwerk in vereinfachten, zellähnlichen Strukturen, sogenannten Vesikeln. Diese Vesikel wurden mit Kernuhrproteinen beladen, von denen eines mit einem fluoreszierenden Marker versehen war. Die künstlichen Zellen leuchteten mindestens vier Tage lang in einem regelmäßigen 24-Stunden-Rhythmus. Wenn jedoch die Anzahl der Uhrproteine reduziert oder die Vesikel verkleinert wurden, hörte das rhythmische Leuchten auf. Der Verlust des Rhythmus folgte einem reproduzierbaren Muster. Um diese Ergebnisse zu erklären, entwickelte das Team ein Computermodell. Das Modell zeigte, dass die Uhren mit höherer Konzentration der Uhrproteine robuster werden, sodass Tausende von Vesikeln die Zeit zuverlässig messen können – selbst wenn die Proteinmengen zwischen den Vesikeln leicht variieren.

Das Modell deutete auch darauf hin, dass eine weitere Komponente des natürlichen circadianen Systems, die für das Ein- und Ausschalten von Genen verantwortlich ist, keine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der individuellen Uhren spielt, aber für die Synchronisierung der Uhren einer Population unerlässlich ist. Die Forscher stellten außerdem fest, dass einige Uhrproteine dazu neigen, an den Wänden der Vesikel zu haften, was bedeutet, dass eine hohe Gesamtproteinmenge erforderlich ist, um eine ordnungsgemäße Funktion aufrechtzuerhalten. „Diese Studie zeigt, dass wir die Grundprinzipien der biologischen Zeitmessung mithilfe vereinfachter, synthetischer Systeme analysieren und verstehen können“, so Subramaniam. Die Arbeit von Subramaniam und LiWang bringt die Methodik zur Untersuchung biologischer Uhren voran, sagte Mingxu Fang, Professor für Mikrobiologie an der Ohio State University und Experte für circadiane Uhren.

Die circadiane Uhr der Cyanobakterien basiert auf langsamen biochemischen Reaktionen, die von Natur aus rauschbehaftet sind, und es wurde vermutet, dass eine hohe Anzahl an Uhrproteinen erforderlich ist, um dieses Rauschen zu puffern. Diese neue Studie stellt eine Methode vor, mit der rekonstituierte Uhrreaktionen in Vesikeln mit anpassbarer Größe beobachtet werden können, die die Abmessungen von Zellen nachahmen. Dieses leistungsstarke Werkzeug ermöglicht es, direkt zu testen, wie und warum Organismen mit unterschiedlichen Zellgrößen unterschiedliche Zeitsteuerungsstrategien anwenden, und vertieft so unser Verständnis der biologischen Zeitmessungsmechanismen in allen Lebensformen.