Científicos de la UC Merced han desarrollado células artificiales capaces de medir el tiempo a la perfección, de forma similar al reloj biológico de 24 horas de los organismos vivos. Al reconstruir el mecanismo circadiano en vesículas diminutas, los investigadores pudieron demostrar que incluso los sistemas sintéticos simplificados pueden brillar con un ritmo diario, siempre que tengan suficientes proteínas.

Un equipo de investigadores de la UC Merced ha descubierto que células artificiales diminutas pueden medir el tiempo con precisión, imitando el ritmo diario de los organismos vivos. Sus hallazgos arrojan luz sobre cómo los relojes biológicos mantienen la hora a pesar de las señales de interferencia molecular dentro de las células. El estudio, publicado recientemente en Nature Communications, ha sido dirigido por Anand Bala Subramaniam, catedrático de Bioingeniería, y Andy LiWang, catedrático de Química y Bioquímica. El primer autor, Alexander Zhang Tu Li, se doctoró en el laboratorio de Subramaniam.

La investigación profundiza en el conocimiento de la medición biológica del tiempo en todas las formas de vida

Los relojes biológicos, también conocidos como ritmos circadianos, controlan ciclos de 24 horas que regulan el sueño, el metabolismo y otros procesos vitales. Para explorar los mecanismos que subyacen a los ritmos circadianos de las cianobacterias, los investigadores reconstruyeron el mecanismo del reloj en unas estructuras simplificadas similares a células llamadas vesículas. Estas vesículas se cargaron con proteínas centrales del reloj, una de las cuales se marcó con un marcador fluorescente. Las células artificiales brillaron a un ritmo regular de 24 horas durante al menos cuatro días. Sin embargo, cuando se redujo el número de proteínas del reloj o se encogieron las vesículas, el brillo rítmico cesó. La pérdida de ritmo siguió un patrón reproducible. Para explicar estos resultados, el equipo desarrolló un modelo informático. El modelo demostró que cuanto mayor es la concentración de proteínas de reloj, más robustos se vuelven los relojes, lo que permite que miles de vesículas midan el tiempo de forma fiable, aunque los niveles de proteínas varíen ligeramente de una vesícula a otra.

El modelo también sugería que otro componente del sistema circadiano natural, encargado de activar y desactivar los genes, no desempeña un papel significativo en el mantenimiento de los relojes individuales, pero es esencial para sincronizar los relojes de una población. Los investigadores también descubrieron que algunas proteínas del reloj tienden a adherirse a las paredes de las vesículas, lo que significa que se necesita una gran cantidad total de proteínas para mantener un funcionamiento adecuado. «Este estudio demuestra que podemos analizar y comprender los principios básicos de la medición biológica del tiempo utilizando sistemas sintéticos simplificados», afirma Subramaniam. El trabajo de Subramaniam y LiWang hace avanzar la metodología de estudio de los relojes biológicos, afirmó Mingxu Fang, catedrático de Microbiología de la Universidad Estatal de Ohio y experto en relojes circadianos.

El reloj circadiano de las cianobacterias se basa en reacciones bioquímicas lentas que son intrínsecamente ruidosas, y se ha planteado la hipótesis de que se necesita un gran número de proteínas de reloj para amortiguar este ruido. Este nuevo estudio introduce un método para observar reacciones de reloj reconstituidas en vesículas de tamaño ajustable que imitan las dimensiones de las células. Esta poderosa herramienta permite comprobar directamente cómo y por qué organismos con diferentes tamaños celulares emplean diferentes estrategias de cronometraje, profundizando nuestra comprensión de los mecanismos de cronometraje biológico en todas las formas de vida.