Forskare vid UC Merced har utvecklat konstgjorda celler som kan mäta tiden perfekt – i likhet med den biologiska 24-timmarsklockan i levande organismer. Genom att rekonstruera den cirkadiska mekanismen i små vesiklar kunde forskarna visa att även förenklade syntetiska system kan lysa i en dygnsrytm – förutsatt att de har tillräckligt med proteiner.

Ett forskarlag vid UC Merced har upptäckt att små konstgjorda celler kan mäta tiden exakt och efterlikna den dagliga rytmen hos levande organismer. Resultaten kastar ljus över hur biologiska klockor håller tiden trots molekylära störningssignaler i cellerna. Studien, som nyligen publicerades i Nature Communications, leddes av Anand Bala Subramaniam, professor i bioteknik, och Andy LiWang, professor i kemi och biokemi. Den första författaren, Alexander Zhang Tu Li, disputerade i Subramaniams labb.

Forskning fördjupar vår förståelse av biologisk tidsmätning i alla livsformer

Biologiska klockor – även kallade cirkadiska rytmer – styr 24-timmarscykler som reglerar sömn, ämnesomsättning och andra vitala processer. För att utforska mekanismerna bakom cyanobakteriernas dygnsrytm har forskarna rekonstruerat urverket i förenklade, cellliknande strukturer som kallas vesiklar. Dessa vesiklar laddades med centrala klockproteiner, varav ett var märkt med en fluorescerande markör. De konstgjorda cellerna lyste i en regelbunden 24-timmarsrytm under minst fyra dagar. Men när antalet klockproteiner minskades eller vesiklarna krymptes, upphörde det rytmiska skenet. Förlusten av rytm följde ett reproducerbart mönster. För att förklara dessa resultat utvecklade teamet en datormodell. Modellen visade att ju högre koncentrationen av klockproteiner är, desto mer robusta blir klockorna, vilket gör att tusentals vesiklar kan mäta tiden på ett tillförlitligt sätt – även om proteinnivåerna varierar något mellan vesiklarna.

Modellen antydde också att en annan komponent i det naturliga cirkadiska systemet, som ansvarar för att slå på och av gener, inte spelar någon betydande roll för att upprätthålla individuella klockor, men är avgörande för att synkronisera klockorna hos en population. Forskarna fann också att vissa klockproteiner tenderar att fastna på vesiklarnas väggar, vilket innebär att det krävs en hög total mängd protein för att upprätthålla korrekt funktion. ”Den här studien visar att vi kan analysera och förstå de grundläggande principerna för biologisk tidsmätning med hjälp av förenklade, syntetiska system”, säger Subramaniam. Subramaniams och LiWangs arbete är ett framsteg i metodiken för att studera biologiska klockor, säger Mingxu Fang, professor i mikrobiologi vid Ohio State University och expert på cirkadiska klockor.

Cyanobakteriernas dygnsklocka bygger på långsamma biokemiska reaktioner som i sig är bullriga, och det har antagits att det krävs ett stort antal klockproteiner för att buffra detta brus. I denna nya studie introduceras en metod för att observera rekonstruerade klockreaktioner i vesiklar av justerbar storlek som efterliknar cellernas dimensioner. Detta kraftfulla verktyg gör det möjligt att direkt testa hur och varför organismer med olika cellstorlekar använder olika tidsstrategier, vilket fördjupar vår förståelse av biologiska tidsmekanismer i alla livsformer.