Vědci z UC Merced vyvinuli umělé buňky, které dokáží dokonale měřit čas – podobně jako 24hodinové biologické hodiny v živých organismech. Rekonstrukcí cirkadiánního mechanismu v malých vezikulách se výzkumníkům podařilo prokázat, že i zjednodušené syntetické systémy mohou svítit v denním rytmu – za předpokladu, že mají dostatek proteinů.

Tým vědců z Kalifornské univerzity v Mercedu zjistil, že drobné umělé buňky mohou přesně měřit čas a napodobovat denní rytmus živých organismů. Jejich zjištění vrhá světlo na to, jak biologické hodiny udržují čas navzdory molekulárním rušivým signálům uvnitř buněk. Studii, která byla nedávno publikována v časopise Nature Communications, vedli Anand Bala Subramaniam, profesor bioinženýrství, a Andy LiWang, profesor chemie a biochemie. První autor, Alexander Zhang Tu Li, získal doktorát v Subramaniamově laboratoři.

Výzkum prohlubuje naše chápání měření biologického času u všech forem života

Biologické hodiny – známé také jako cirkadiánní rytmy – řídí 24hodinové cykly, které regulují spánek, metabolismus a další životně důležité procesy. Aby prozkoumali mechanismy, které stojí za cirkadiánními rytmy sinic, rekonstruovali vědci hodinový stroj ve zjednodušených strukturách podobných buňkám, kterým se říká vezikuly. Do těchto vezikul byly vloženy základní hodinové proteiny, z nichž jeden byl označen fluorescenční značkou. Umělé buňky zářily v pravidelném 24hodinovém rytmu po dobu nejméně čtyř dnů. Když se však počet hodinových proteinů snížil nebo se vezikuly zmenšily, rytmické svícení ustalo. Ztráta rytmu měla reprodukovatelný průběh. K vysvětlení těchto výsledků tým vyvinul počítačový model. Model ukázal, že čím vyšší je koncentrace hodinových proteinů, tím robustnější jsou hodiny, které umožňují tisícům vezikul spolehlivě měřit čas – i když se hladiny proteinů v jednotlivých vezikulách mírně liší.

Model také naznačil, že další složka přirozeného cirkadiánního systému, která je zodpovědná za zapínání a vypínání genů, nehraje významnou roli při udržování individuálních hodin, ale je nezbytná pro synchronizaci hodin populace. Vědci také zjistili, že některé proteiny hodin mají tendenci ulpívat na stěnách vezikul, což znamená, že k udržení správné funkce je zapotřebí vysoké celkové množství proteinu. „Tato studie ukazuje, že můžeme analyzovat a pochopit základní principy měření biologického času pomocí zjednodušených syntetických systémů,“ řekl Subramaniam. Práce Subramaniama a LiWanga posouvá metodiku studia biologických hodin, uvedl Mingxu Fang, profesor mikrobiologie na Ohio State University a odborník na cirkadiánní hodiny.

Cirkadiánní hodiny sinic jsou založeny na pomalých biochemických reakcích, které jsou ze své podstaty hlučné, a předpokládá se, že k vyrovnání tohoto hluku je zapotřebí velké množství hodinových proteinů. Tato nová studie představuje metodu pro pozorování rekonstituovaných hodinových reakcí ve vezikulách nastavitelné velikosti, které napodobují rozměry buněk. Tento výkonný nástroj umožňuje přímo testovat, jak a proč organismy s různými velikostmi buněk používají různé časovací strategie, což prohlubuje naše znalosti o biologických časovacích mechanismech u všech forem života.