Ny forskning har vist, hvordan et simpelt døgnrytmeur har stærke støjfiltreringsevner, hvilket forbedrer vores forståelse af, hvordan biologiske kredsløb opretholder deres nøjagtighed i dynamiske naturlige miljøer. Undersøgelsen fremhæver døgnrytmeurets bemærkelsesværdige evne til at tilpasse sig miljømæssige udsving og samtidig bevare sin nøjagtighed. Resultaterne er vigtige for at forstå, hvordan organismer – fra bakterier til mennesker – måler tid som reaktion på eksterne ændringer som lys og temperatur forårsaget af jordens 24-timers rotation.

Undersøgelsen, der er offentliggjort i Nature Communications og involverer forskere fra Sainsbury Laboratory ved University of Cambridge, Imperial College London, University of Warwick og Forschungszentrum Jülich, viste, at det cirkadiske ur selektivt filtrerer udsving i miljøsignaler, som f.eks. ændringer i lysets varighed og intensitet. Det gør det muligt for uret at ignorere mindre forstyrrelser, mens det reagerer på betydelige miljøændringer.

Døgnuret kan skelne mellem meningsfulde stimuli og miljøstøj

Alle, der nogensinde har krydset flere tidszoner og oplevet jetlag, ved, hvor stærkt vores biologiske ure påvirker os. Faktisk har hver eneste celle i menneskekroppen sit eget molekylære ur, som regulerer de daglige cyklusser over en 24-timers periode. Det er vigtigt, at cellernes indre ure forbliver synkroniserede over lange perioder, men også at de kan tilpasse sig ændringer i miljøet. Den gradvise forsvinden af jetlag-symptomer illustrerer, hvordan vores indre ure tilpasser sig sådanne nye forhold – ved at justere vores døgnrytme til den nye dag-nat-cyklus i en anden tidszone.

De fleste levende organismer har også indre ure, der styrer biologiske funktioner. Planter skal f.eks. vide, hvornår de skal forberede deres fotosyntetiske apparat på daggryets komme. Da daggryet indtræffer tidligere hver dag fra forår til sommer, skal planternes døgnure tilpasse sig forskellige dagslængder. Men de må ikke blive fristet af en forbipasserende sky til at stoppe deres lyshøstningsprocesser. For at forstå, hvordan det cirkadiske ur skelner mellem meningsfulde stimuli og miljøstøj såsom midlertidige ændringer i lyset, brugte Locke-gruppen på Sainsbury Laboratory Cambridge den simpleste kendte organisme med et cirkadisk ur – en cyanobakterie kaldet Synechococcus elongatus. Denne encellede ferskvandsorganisme er fotosyntetisk og har ligesom planter brug for at holde styr på tiden for at få mest muligt ud af sin tid i lyset.

Cyanobakteriers ure er ekstremt robuste

Dr. Sasha Eremina, førsteforfatter på undersøgelsen, som udførte forskningen i forbindelse med sin ph.d., siger: “Vi undersøgte først den iboende nøjagtighed af døgnrytmer under kontinuerligt lys. For at gøre dette udviklede vi en mikrofluidisk enhed kaldet ‘Green Mother Machine’ for at holde den oprindelige modercelle øverst i vækstkammeret, så vi kunne afbilde cellen ved hjælp af langvarig time-lapse fluorescensmikroskopi. Med vores opsætning var vi i stand til at observere væksten af individuelle celler og genudtryk over flere dage med en præcision, der ikke var mulig i tidligere undersøgelser.”

Teamet begyndte at arbejde på Green Mother Machine i 2016, baseret på tidligere Mother Machine-designs, der var udviklet til ikke-fotosyntetiske bakterier. Det viste sig, at cyanobakterier er meget sværere at dyrke i disse mikromiljøer end andre mikrober. “Det tog mange års eksperimenter at overvinde de tekniske udfordringer og sikre, at vi havde det rigtige slangemateriale, det rigtige chipdesign og den rigtige integration med lysstyringssystemet for ikke at beskadige fotosyntesen og cellemembranerne,” siger Dr. Bruno Martins fra University of Warwick. Forskerne viste, at cyanobakterielle ure er usædvanligt robuste på trods af, at urets komponenter og reguleringsmekanismer konstant forstyrres af cellestøj. Denne robusthed gør det muligt for cellerne at tikke synkront i hundredvis af dage.

Hvordan biologiske kredsløb kan fungere præcist i naturlige miljøer

Cyanobakteriernes ur består af tre Kai-proteiner, der konstant bindes og adskilles under indflydelse af en biokemisk proces kaldet fosforylering, hvilket resulterer i en rytmisk 24-timers cyklus. Ved hjælp af matematiske modeller og mutagenese kunne forskerne vise, at denne robusthed er forankret i kernen af den Kai-proteinbaserede oscillator og ikke i det bredere genreguleringsnetværk. Denne opdagelse er lovende for dem, der arbejder med anvendelser af syntetisk biologi, hvor stabile tidssystemer er afgørende.

Forskerne udsatte også det cyanobakterielle ur for komplekse lys-mørke-cyklusser, herunder kunstige og naturlige miljøer, for at forstå, hvordan det håndterer daglige vejrændringer. Det er bemærkelsesværdigt, at de genskabte realistiske meteorologiske lysmønstre fra Det Caribiske Hav, som celleurene reagerede på på en måde, der var forudsagt af deres matematiske model. På trods af de forskellige lysforhold viste det cyanobakterielle ur en bemærkelsesværdig evne til at filtrere miljøstøj fra og samtidig bevare en vis følsomhed over for ændringer i miljøet. Ifølge forskerne illustrerer deres resultater, hvordan et simpelt urnetværk kan udvise komplekse støjfiltreringsegenskaber og uddybe vores forståelse af, hvordan biologiske kredsløb kan fungere præcist i naturlige miljøer.