Vedci z UC Merced vyvinuli umelé bunky, ktoré dokážu dokonale merať čas – podobne ako 24-hodinové biologické hodiny v živých organizmoch. Rekonštrukciou cirkadiánneho mechanizmu v malých vezikulách sa výskumníkom podarilo dokázať, že aj zjednodušené syntetické systémy môžu svietiť v dennom rytme – za predpokladu, že majú dostatok proteínov.

Tím výskumníkov z Kalifornskej univerzity v Mercede zistil, že drobné umelé bunky dokážu presne merať čas a napodobňujú denný rytmus živých organizmov. Ich zistenia vrhajú svetlo na to, ako biologické hodiny udržiavajú čas napriek molekulárnym rušivým signálom v bunkách. Štúdiu, ktorá bola nedávno uverejnená v časopise Nature Communications, viedli Anand Bala Subramaniam, profesor bioinžinierstva, a Andy LiWang, profesor chémie a biochémie. Prvý autor, Alexander Zhang Tu Li, získal doktorát v Subramaniamovom laboratóriu.

Výskum prehlbuje naše chápanie merania biologického času vo všetkých formách života

Biologické hodiny – známe aj ako cirkadiánne rytmy – riadia 24-hodinové cykly, ktoré regulujú spánok, metabolizmus a ďalšie životne dôležité procesy. Aby vedci preskúmali mechanizmy, ktoré stoja za cirkadiánnymi rytmami cyanobaktérií, zrekonštruovali hodinový stroj v zjednodušených štruktúrach podobných bunkám, ktoré sa nazývajú vezikuly. Tieto vezikuly boli naplnené základnými hodinovými proteínmi, z ktorých jeden bol označený fluorescenčným markerom. Umelé bunky svietili v pravidelnom 24-hodinovom rytme najmenej štyri dni. Keď sa však počet hodinových proteínov znížil alebo sa vezikuly zmenšili, rytmické svietenie sa zastavilo. Strata rytmu mala reprodukovateľný priebeh. Na vysvetlenie týchto výsledkov tím vytvoril počítačový model. Model ukázal, že čím vyššia je koncentrácia hodinových proteínov, tým sú hodiny robustnejšie, čo umožňuje tisícom vezikúl spoľahlivo merať čas – aj keď sa hladiny proteínov v jednotlivých vezikulách mierne líšia.

Model tiež naznačil, že ďalšia zložka prirodzeného cirkadiánneho systému, ktorá je zodpovedná za zapínanie a vypínanie génov, nehrá významnú úlohu pri udržiavaní individuálnych hodín, ale je nevyhnutná na synchronizáciu hodín populácie. Vedci tiež zistili, že niektoré proteíny hodín majú tendenciu prilepiť sa na steny vezikúl, čo znamená, že na udržanie správnej funkcie je potrebné vysoké celkové množstvo proteínu. „Táto štúdia ukazuje, že môžeme analyzovať a pochopiť základné princípy merania biologického času pomocou zjednodušených syntetických systémov,“ povedal Subramaniam. Práca Subramaniama a LiWanga posúva vpred metodiku skúmania biologických hodín, povedal Mingxu Fang, profesor mikrobiológie na Ohio State University a odborník na cirkadiánne hodiny.

Cirkadiánne hodiny siníc sú založené na pomalých biochemických reakciách, ktoré sú vo svojej podstate hlučné, a predpokladá sa, že na tlmenie tohto hluku je potrebný veľký počet hodinových proteínov. Táto nová štúdia predstavuje metódu na pozorovanie rekonštituovaných hodinových reakcií vo vezikulách s nastaviteľnou veľkosťou, ktoré napodobňujú rozmery buniek. Tento výkonný nástroj umožňuje priamo testovať, ako a prečo organizmy s rôznymi veľkosťami buniek používajú rôzne stratégie časovania, čím sa prehlbuje naše chápanie biologických mechanizmov časovania vo všetkých formách života.