Aby lépe porozuměl cirkadiánním hodinám u moderních sinic, zkoumal japonský výzkumný tým starobylé systémy měření času. Studovali oscilace hodinových proteinů KaiA, KaiB a KaiC (Kai proteiny) u moderních sinic a porovnávali je s funkcí Kai proteinů jejich předků. Výsledky jejich výzkumu byly publikovány v časopise Nature Communications.

Lepší pochopení fyziologického původu cirkadiánních hodinových systémů

„Dnešní sinice používají cirkadiánní hodiny k předvídání cyklu světla a tmy na Zemi na základě její rotace, čímž dosahují efektivních fotosyntetických reakcí. Chtěli jsme zjistit, kdy se u dávných bakterií vyvinuly cirkadiánní hodiny a jak byla tato vlastnost předána dnešním sinicím,“ vysvětluje Atsushi Mukaiyama, docent na Fukui Prefectural University.

Sinice, někdy nazývané sinice, jsou fotosyntetické bakterie, které mají významný vliv na oceány a atmosféru Země. Vědci vědí, že poslední společný předek sinic vznikl přibližně před 3 miliardami let. Do podoby dnešního ekosystému se vyvinuly během Velké oxidační události, která proběhla přibližně před 2,3 miliardami let, kdy se zvýšil obsah kyslíku v zemské atmosféře. Tento vývoj pokračoval během nejméně dvou sněhových koulí Země před asi 2,4 a 0,7 miliardami let, kdy byla planeta pokryta ledem, a také během obohacení kyslíkem v neoproterozoiku, kdy se obsah kyslíku na Zemi zvýšil podruhé. Obohacení kyslíkem v éře neoproterozoika proběhlo před 800 až 540 miliony let.

Na základě fosilií a molekulárních evolučních modelů vědci předpokládají, že již poslední společný předek sinic disponoval primitivními systémy kyslíkové fotosyntézy. Účinnost fotosyntézy je silně ovlivněna cykly světla a tmy v prostředí. Výzkumný tým chtěl zjistit, zda primitivní sinice měly časový systém, kdy se fotosyntéza stala aktivní během Velké oxidační události. To by mohlo vědcům pomoci pochopit fyziologický původ cirkadiánních hodinových systémů.

Cirkadiánní hodiny sinic

Vědci identifikovali cirkadiánní hodiny, tj. vnitřní časovače, které způsobují, že organismus funguje podle 24hodinového rytmu, u různých organismů, jako jsou bakterie, houby, rostliny a savci. Výzkumný tým studoval cirkadiánní hodiny sinic pomocí kmene sinice Synechococcus elongatus. Hodinový oscilátor rekonstruovali ve zkumavce pomocí hodinového proteinu KaiC. Zkoumali také funkci a strukturu původních proteinů Kai, aby zjistili, jak se v průběhu času vyvíjely soběstačné oscilátory z proteinů Kai.

Protože je známo, že cykly světla a tmy ovlivňují účinnost fotosyntézy u sinic, chtěl tým zjistit, zda dávné sinice měly soběstačné cirkadiánní hodiny již v době, kdy probíhaly dávné oxidační procesy a poprvé se objevily fotosyntetické systémy. Zjistili, že rychlejší rytmické jevy byly zakódovány v proteinech prastarých hodin. „Hodiny dávných sinic byly synchronizovány na cyklus 18 až 20 hodin. To znamená, že historii periody rotace Země bylo možné rekonstruovat sledováním evoluce proteinových molekul hodin,“ vysvětlil Yoshihiko Furuike, odborný asistent Ústavu molekulárních věd.

Rychlejší evoluce

Zjištění týmu ukazují, že nejstarší KaiC u předků bakterií neměl funkci a strukturu nezbytnou pro rytmické vlastnosti. Díky molekulární evoluci získaly proteiny Kai předků potřebnou funkci a strukturu v době globální oxidace a sněhové koule Země. Nakonec nejnovější společný předek fotosyntetických sinic zdědil tento samoudržující se cirkadiánní oscilátor. Tyto poznatky jsou pro vědce nesmírně užitečné při pochopení chronobiologie. „Naším konečným cílem je vyvinout modifikované sinice, které se mohou přizpůsobit periodám rotace jiných planet a satelitů než Země zkrácením nebo prodloužením periody oscilátoru bílkoviny Kai. Sinice potřebovaly dlouhou dobu, než synchronizovaly své hodiny na 24 hodin, ale s moderními znalostmi a technologiemi bychom mohli dosáhnout ještě rychlejší evoluce,“ řekl Shuji Akiyama, profesor z Ústavu molekulárních věd.