Cientistas da UC Merced desenvolveram células artificiais que podem medir o tempo perfeitamente, de forma semelhante ao relógio biológico de 24 horas dos organismos vivos. Ao reconstruir o mecanismo circadiano em vesículas minúsculas, os pesquisadores conseguiram demonstrar que mesmo sistemas sintéticos simplificados podem brilhar em um ritmo diário, desde que tenham proteínas suficientes.

Uma equipe de pesquisadores da UC Merced descobriu que células artificiais minúsculas podem medir o tempo com precisão, imitando o ritmo diário dos organismos vivos. Suas descobertas esclarecem como os relógios biológicos mantêm o tempo apesar dos sinais de interferência molecular dentro das células. O estudo, publicado recentemente na Nature Communications, foi liderado por Anand Bala Subramaniam, professor de bioengenharia, e Andy LiWang, professor de química e bioquímica. O primeiro autor, Alexander Zhang Tu Li, obteve seu doutorado no laboratório de Subramaniam.

Pesquisa aprofunda nossa compreensão da medição biológica do tempo em todas as formas de vida

Os relógios biológicos, também conhecidos como ritmos circadianos, controlam os ciclos de 24 horas que regulam o sono, o metabolismo e outros processos vitais. Para explorar os mecanismos por trás dos ritmos circadianos das cianobactérias, os pesquisadores reconstruíram o relógio em estruturas simplificadas, semelhantes a células, chamadas vesículas. Essas vesículas foram carregadas com as principais proteínas do relógio, uma das quais foi marcada com um marcador fluorescente. As células artificiais brilharam em um ritmo regular de 24 horas por pelo menos quatro dias. Entretanto, quando o número de proteínas do relógio foi reduzido ou as vesículas foram encolhidas, o brilho rítmico parou. A perda de ritmo seguiu um padrão reproduzível. Para explicar esses resultados, a equipe desenvolveu um modelo de computador. O modelo mostrou que quanto maior a concentração de proteínas do relógio, mais robustos os relógios se tornam, permitindo que milhares de vesículas meçam o tempo de forma confiável, mesmo que os níveis de proteína variem ligeiramente entre as vesículas.

O modelo também sugeriu que outro componente do sistema circadiano natural, responsável pela ativação e desativação de genes, não desempenha um papel significativo na manutenção de relógios individuais, mas é essencial para sincronizar os relógios de uma população. Os pesquisadores também descobriram que algumas proteínas do relógio tendem a aderir às paredes das vesículas, o que significa que é necessária uma grande quantidade total de proteína para manter a função adequada. “Esse estudo mostra que podemos analisar e compreender os princípios básicos da medição biológica do tempo usando sistemas sintéticos simplificados”, disse Subramaniam. O trabalho de Subramaniam e LiWang avança a metodologia de estudo de relógios biológicos, disse Mingxu Fang, professor de microbiologia da Universidade Estadual de Ohio e especialista em relógios circadianos.

O relógio circadiano das cianobactérias se baseia em reações bioquímicas lentas que são inerentemente ruidosas, e foi levantada a hipótese de que um grande número de proteínas do relógio é necessário para amortecer esse ruído. Esse novo estudo apresenta um método para observar reações reconstituídas do relógio em vesículas de tamanho ajustável que imitam as dimensões das células. Essa poderosa ferramenta possibilita testar diretamente como e por que organismos com diferentes tamanhos de células empregam diferentes estratégias de sincronização, aprofundando nossa compreensão dos mecanismos de sincronização biológica em todas as formas de vida.