Wetenschappers van UC Merced hebben kunstmatige cellen ontwikkeld die perfect de tijd kunnen meten – vergelijkbaar met de 24-uurs biologische klok in levende organismen. Door het circadiane mechanisme te reconstrueren in piepkleine blaasjes, konden de onderzoekers aantonen dat zelfs vereenvoudigde synthetische systemen kunnen gloeien in een dagelijks ritme – op voorwaarde dat ze genoeg eiwitten hebben.

Een team onderzoekers van UC Merced heeft ontdekt dat piepkleine kunstmatige cellen nauwkeurig de tijd kunnen meten en het dagelijkse ritme van levende organismen kunnen nabootsen. Hun bevindingen werpen licht op hoe biologische klokken de tijd bijhouden ondanks moleculaire stoorsignalen binnen cellen. Het onderzoek, dat onlangs is gepubliceerd in Nature Communications, werd geleid door Anand Bala Subramaniam, hoogleraar bio-engineering, en Andy LiWang, hoogleraar chemie en biochemie. De eerste auteur, Alexander Zhang Tu Li, behaalde zijn PhD in het lab van Subramaniam.

Onderzoek verdiept ons begrip van biologische tijdmeting in alle levensvormen

Biologische klokken – ook wel circadiane ritmes genoemd – regelen 24-uurs cycli die slaap, metabolisme en andere vitale processen reguleren. Om de mechanismen achter het circadiane ritme van cyanobacteriën te onderzoeken, reconstrueerden de onderzoekers het uurwerk in vereenvoudigde, celachtige structuren die blaasjes worden genoemd. Deze blaasjes werden geladen met klokkerneiwitten, waarvan er één werd gelabeld met een fluorescerende marker. De kunstmatige cellen gloeiden ten minste vier dagen lang in een regelmatig 24-uurs ritme. Wanneer echter het aantal klokeiwitten werd verminderd of de blaasjes werden verkleind, stopte de ritmische gloed. Het verlies van ritme volgde een reproduceerbaar patroon. Om deze resultaten te verklaren ontwikkelde het team een computermodel. Het model toonde aan dat hoe hoger de concentratie klokeiwitten, hoe robuuster de klokken worden, waardoor duizenden blaasjes de tijd betrouwbaar kunnen meten – zelfs als de eiwitniveaus tussen de blaasjes licht variëren.

Het model suggereerde ook dat een ander onderdeel van het natuurlijke circadiane systeem, dat verantwoordelijk is voor het in- en uitschakelen van genen, geen significante rol speelt bij het in stand houden van individuele klokken, maar essentieel is voor het synchroniseren van de klokken van een populatie. De onderzoekers ontdekten ook dat sommige klokeiwitten de neiging hebben om aan de wanden van de blaasjes te blijven plakken, wat betekent dat er een grote totale hoeveelheid eiwit nodig is om goed te blijven functioneren. “Dit onderzoek laat zien dat we de basisprincipes van biologische tijdmeting kunnen analyseren en begrijpen met behulp van vereenvoudigde, synthetische systemen,” zei Subramaniam. Het werk van Subramaniam en LiWang bevordert de methodologie voor het bestuderen van biologische klokken, aldus Mingxu Fang, hoogleraar microbiologie aan de Ohio State University en een expert op het gebied van circadiane klokken.

De circadiane klok van cyanobacteriën is gebaseerd op langzame biochemische reacties die inherent ruisachtig zijn, en er is verondersteld dat een groot aantal klokeiwitten nodig is om deze ruis te bufferen. Deze nieuwe studie introduceert een methode voor het observeren van gereconstitueerde klokreacties in blaasjes van instelbare grootte die de afmetingen van cellen nabootsen. Dit krachtige hulpmiddel maakt het mogelijk om direct te testen hoe en waarom organismen met verschillende celgroottes verschillende timingsstrategieën gebruiken, waardoor ons begrip van biologische timingsmechanismen in alle levensvormen wordt verdiept.