Nový výzkum ukázal, že jednoduché cirkadiánní hodiny jsou schopné filtrovat šum, a zlepšil tak naše chápání toho, jak biologické obvody udržují svou přesnost v dynamickém přírodním prostředí. Studie poukazuje na pozoruhodnou schopnost cirkadiánních hodin přizpůsobit se výkyvům prostředí a zároveň si zachovat svou přesnost. Tato zjištění jsou důležitá pro pochopení toho, jak organismy – od bakterií po člověka – měří čas v reakci na vnější změny, jako je světlo a teplota způsobené 24hodinovou rotací Země.

Studie publikovaná v časopise Nature Communications, na níž se podíleli vědci ze Sainsburyho laboratoře na univerzitě v Cambridge, Imperial College London, univerzity ve Warwicku a Forschungszentrum Jülich, zjistila, že cirkadiánní hodiny selektivně filtrují výkyvy signálů prostředí, jako jsou změny v délce a intenzitě světla. To hodinám umožňuje ignorovat drobné poruchy a zároveň reagovat na významné změny prostředí.

Cirkadiánní hodiny dokážou rozlišovat mezi významnými podněty a šumem prostředí

Každý, kdo někdy překročil více časových pásem a zažil jet lag, ví, jak silně nás naše biologické hodiny ovlivňují. Ve skutečnosti má každá buňka v lidském těle své vlastní molekulární hodiny, které regulují denní cykly v průběhu 24 hodin. Je důležité, aby vnitřní hodiny buněk zůstaly synchronizované po dlouhá časová období, ale také aby se dokázaly přizpůsobit změnám v prostředí. Postupné odeznívání příznaků jet lagu ilustruje, jak se naše vnitřní hodiny přizpůsobují takovým novým podmínkám – přizpůsobením cirkadiánních hodin novému cyklu dne a noci v jiném časovém pásmu.

Většina živých organismů má také vnitřní hodiny, které řídí biologické funkce. Například rostliny potřebují vědět, kdy mají připravit svůj fotosyntetický aparát na příchod svítání. Vzhledem k tomu, že od jara do léta nastává svítání každý den dříve, musí se cirkadiánní hodiny rostlin přizpůsobit různé délce dne. Nesmí se však nechat zlákat procházejícím mrakem, aby zastavily své procesy sklízení světla. K pochopení toho, jak cirkadiánní hodiny rozlišují mezi smysluplnými podněty a šumem prostředí, jako jsou dočasné změny světla, použila Lockova skupina v Sainsbury Laboratory v Cambridge nejjednodušší známý organismus s cirkadiánními hodinami – sinici Synechococcus elongatus. Tento jednobuněčný sladkovodní organismus je fotosyntetický a podobně jako rostliny potřebuje sledovat čas, aby co nejlépe využil svůj čas na světle.

Hodiny sinic jsou mimořádně odolné

Dr. Sasha Eremina, první autorka studie, která výzkum prováděla v rámci svého doktorského studia, uvedla: „Sinice jsou schopné sledovat čas: „Nejprve jsme zkoumali vnitřní přesnost cirkadiánních rytmů při nepřetržitém světle. Za tímto účelem jsme vyvinuli mikrofluidní zařízení nazvané ‚Green Mother Machine‘, které udržuje původní mateřskou buňku v horní části růstové komory, abychom ji mohli zobrazit pomocí dlouhodobé časosběrné fluorescenční mikroskopie. Díky našemu uspořádání jsme mohli pozorovat růst jednotlivých buněk a genovou expresi po dobu několika dní s přesností, která nebyla v předchozích studiích možná.“

Tým začal pracovat na zeleném mateřském stroji v roce 2016 na základě dřívějších návrhů mateřského stroje vyvinutých pro nefotosyntetické bakterie. Ukázalo se, že sinice se v těchto mikroprostředích pěstují mnohem obtížněji než ostatní mikrobi. „Trvalo roky experimentů, než jsme překonali technické problémy a zajistili správný materiál trubic, správnou konstrukci čipu a správnou integraci se systémem řízení světla, abychom nepoškodili fotosyntézu a buněčné membrány,“ uvedl Dr. Bruno Martins z University of Warwick. Výzkumníci ukázali, že hodiny sinic jsou výjimečně robustní i přes neustálé narušování hodinových komponent a regulačních mechanismů buněčným šumem. Tato robustnost umožňuje buňkám synchronizovaně tikat stovky dní.

Jak mohou biologické obvody přesně fungovat v přirozeném prostředí

Hodiny sinic se skládají ze tří Kaiových proteinů, které se neustále spojují a rozdělují pod vlivem biochemického procesu zvaného fosforylace, což vede k rytmickému 24hodinovému cyklu. Pomocí matematických modelů a mutageneze se vědcům podařilo prokázat, že tato robustnost je zakořeněna v jádru oscilátoru založeného na proteinech Kai, a nikoli v širší regulační genové síti. Tento objev je slibný pro ty, kteří pracují na aplikacích syntetické biologie, kde jsou stabilní systémy udržující čas nezbytné.

Vědci také vystavili hodiny sinic komplexním cyklům světla a tmy, včetně umělého a přírodního prostředí, aby pochopili, jak se vyrovnávají s denními změnami počasí. Pozoruhodné je, že replikovali realistické meteorologické světelné vzorce z Karibského moře, na které buněčné hodiny reagovaly způsobem předpovězeným jejich matematickým modelem. Navzdory odlišným světelným podmínkám prokázaly hodiny sinic pozoruhodnou schopnost odfiltrovat šum prostředí a zároveň si zachovat určitou citlivost na změny prostředí. Podle vědců jejich výsledky ilustrují, jak může jednoduchá hodinová síť vykazovat komplexní vlastnosti filtrování šumu, a prohlubují naše chápání toho, jak mohou biologické obvody fungovat právě v přírodním prostředí.