Des scientifiques de l’UC Merced ont mis au point des cellules artificielles capables de mesurer parfaitement le temps, à l’instar de l’horloge biologique de 24 heures des organismes vivants. En reconstituant le mécanisme circadien dans de minuscules vésicules, les chercheurs ont pu montrer que même les systèmes synthétiques simplifiés peuvent briller avec un rythme quotidien, à condition qu’ils aient suffisamment de protéines.

Une équipe de chercheurs de l’UC Merced a découvert que de minuscules cellules artificielles peuvent mesurer le temps avec précision, en imitant le rythme quotidien des organismes vivants. Leurs conclusions éclairent la façon dont les horloges biologiques gardent le temps malgré les signaux d’interférence moléculaires à l’intérieur des cellules. L’ étude, publiée récemment dans Nature Communications, a été dirigée par Anand Bala Subramaniam, professeur de bio-ingénierie, et Andy LiWang, professeur de chimie et de biochimie. Le premier auteur, Alexander Zhang Tu Li, a obtenu son doctorat dans le laboratoire de Subramaniam.

Cette recherche permet d’approfondir notre compréhension de la mesure biologique du temps dans toutes les formes de vie.

Les horloges biologiques, également connues sous le nom de rythmes circadiens, contrôlent les cycles de 24 heures qui régulent le sommeil, le métabolisme et d’autres processus vitaux. Pour explorer les mécanismes qui sous-tendent les rythmes circadiens chez les cyanobactéries, les chercheurs ont reconstruit le mécanisme de l’horloge dans des structures simplifiées ressemblant à des cellules, appelées vésicules. Ces vésicules ont été chargées de protéines centrales de l’horloge, dont l’une a été marquée d’un marqueur fluorescent. Les cellules artificielles ont brillé à un rythme régulier de 24 heures pendant au moins quatre jours. Cependant, lorsque le nombre de protéines d’horloge a été réduit ou que les vésicules ont rétréci, la lueur rythmique a cessé. La perte de rythme a suivi un schéma reproductible. Pour expliquer ces résultats, l’équipe a développé un modèle informatique. Le modèle a montré que plus la concentration de protéines d’horloge est élevée, plus les horloges deviennent robustes, permettant à des milliers de vésicules de mesurer le temps de manière fiable, même si les niveaux de protéines varient légèrement d’une vésicule à l’autre.

Le modèle suggère également qu’un autre composant du système circadien naturel, responsable de l’activation et de la désactivation des gènes, ne joue pas un rôle important dans le maintien des horloges individuelles, mais qu’il est essentiel pour la synchronisation des horloges dans une population. Les chercheurs ont également découvert que certaines protéines de l’horloge ont tendance à coller aux parois des vésicules, ce qui signifie qu’une grande quantité totale de protéines est nécessaire pour maintenir un bon fonctionnement. « Cette étude montre que nous pouvons analyser et comprendre les principes de base de la mesure du temps biologique à l’aide de systèmes synthétiques simplifiés », déclare Subramaniam. Les travaux de Subramaniam et LiWang font progresser la méthodologie d’étude des horloges biologiques, a déclaré Mingxu Fang, professeur de microbiologie à l’université d’État de l’Ohio et expert en horloges circadiennes.

L’horloge circadienne des cyanobactéries repose sur des réactions biochimiques lentes qui sont intrinsèquement bruyantes, et l’on a émis l’hypothèse qu’un grand nombre de protéines d’horloge étaient nécessaires pour atténuer ce bruit. Cette nouvelle étude présente une méthode permettant d’observer les réactions reconstituées de l’horloge dans des vésicules de taille ajustable qui imitent les dimensions des cellules. Cet outil puissant nous permet de tester directement comment et pourquoi des organismes ayant des tailles de cellules différentes utilisent des stratégies d’horloge différentes, approfondissant ainsi notre compréhension des mécanismes d’horloge biologique dans toutes les formes de vie.