For bedre at forstå det cirkadiske ur i moderne cyanobakterier har et japansk forskerhold undersøgt ældgamle tidssystemer. De undersøgte oscillationen af urproteinerne KaiA, KaiB og KaiC (Kai-proteiner) i moderne cyanobakterier og sammenlignede den med funktionen af Kai-proteinerne hos deres forfædre. Deres forskningsresultater blev offentliggjort i Nature Communications.

Bedre forståelse af den fysiologiske oprindelse af døgnrytmesystemer

“Nutidens cyanobakterier bruger et døgnrytmeur til at forudsige jordens lys-mørke-cyklus baseret på dens rotation og opnår derved effektive fotosyntetiske reaktioner. Vi ville gerne vide, hvornår de gamle bakterier udviklede det cirkadiske ur, og hvordan denne egenskab blev videregivet til nutidens cyanobakterier,” forklarer Atsushi Mukaiyama, lektor ved Fukui Prefectural University.

Cyanobakterier, også kaldet blågrønne alger, er fotosyntetiske bakterier, som har en vigtig indflydelse på jordens oceaner og atmosfære. Forskerne ved, at cyanobakteriernes sidste fælles forfader opstod for omkring 3 milliarder år siden. Den udviklede sig til nutidens økosystem under den store oxidationsbegivenhed, som fandt sted for omkring 2,3 milliarder år siden, da iltindholdet i Jordens atmosfære steg. Denne udvikling fortsatte under mindst to sneboldjordbegivenheder for ca. 2,4 og 0,7 milliarder år siden, da planeten var dækket af is, samt under iltberigelsen i neoproterozoikum, da jordens iltindhold steg endnu en gang. Iltberigelsen i neoproterozoikum fandt sted for mellem 800 og 540 millioner år siden.

Baseret på fossiler og molekylære evolutionsmodeller har forskere mistanke om, at cyanobakteriernes seneste fælles forfader allerede havde primitive iltfotosyntesesystemer. Fotosyntesens effektivitet er stærkt påvirket af lys-mørke-cyklusser i miljøet. Forskerholdet ønskede at undersøge, om primitive cyanobakterier havde et tidssystem, hvor fotosyntesen blev aktiv under den store oxidationsbegivenhed. Det kunne hjælpe forskerne med at forstå den fysiologiske oprindelse af døgnrytmesystemer.

Døgnuret hos cyanobakterier

Forskere har identificeret døgnure, dvs. interne timere, der får en organisme til at fungere i henhold til en 24-timers rytme, i forskellige organismer som bakterier, svampe, planter og pattedyr. Forskergruppen undersøgte cyanobakteriernes døgnur ved hjælp af cyanobakteriestammen Synechococcus elongatus. De rekonstruerede urets oscillator i et reagensglas ved hjælp af urproteinet KaiC. De undersøgte også funktionen og strukturen af de oprindelige Kai-proteiner for at finde ud af, hvordan selvbærende Kai-proteinoscillatorer udviklede sig over tid.

Da det er kendt, at lys-mørke-cyklusser påvirker fotosyntesens effektivitet i cyanobakterier, ville teamet finde ud af, om gamle cyanobakterier allerede havde et selvbærende døgnur, da de gamle oxidationsprocesser fandt sted, og fotosyntetiske systemer først opstod. De opdagede, at hurtigere rytmiske fænomener var kodet i proteinerne i det oprindelige ur. “Uret i de gamle cyanobakterier var synkroniseret med en cyklus på 18 til 20 timer. Det betyder, at historien om Jordens rotationsperiode kan rekonstrueres ved at spore udviklingen af urets proteinmolekyler,” forklarer Yoshihiko Furuike, der er adjunkt ved Institut for Molekylære Videnskaber.

Hurtigere udvikling

Holdets resultater viser, at det ældste KaiC i de oprindelige bakterier ikke havde den funktion og struktur, der var nødvendig for rytmiske egenskaber. Gennem molekylær evolution fik Kai-proteinerne hos forfædrene den nødvendige funktion og struktur omkring tidspunktet for den globale oxidation og sneboldjorden. Endelig arvede den seneste fælles forfader til fotosyntetiske cyanobakterier denne selvbærende døgnrytmeoscillator. Disse resultater er yderst nyttige for forskere, når de skal forstå kronobiologi. “Vores ultimative mål er at udvikle modificerede cyanobakterier, der kan tilpasse sig rotationsperioderne på andre planeter og satellitter end Jorden ved at forkorte eller forlænge perioden for Kai-proteinoscillatoren. Det tog cyanobakterier lang tid at synkronisere deres ur til 24 timer, men med moderne viden og teknologi kan vi opnå en endnu hurtigere evolution,” siger Shuji Akiyama, professor ved Institut for Molekylær Videnskab.