Forskere ved UC Merced har udviklet kunstige celler, der kan måle tiden perfekt – i lighed med det biologiske 24-timers ur i levende organismer. Ved at rekonstruere den cirkadiske mekanisme i små vesikler kunne forskerne vise, at selv forenklede syntetiske systemer kan lyse i en daglig rytme – forudsat at de har nok proteiner.

Et hold forskere ved UC Merced har fundet ud af, at små kunstige celler kan måle tiden nøjagtigt og efterligne levende organismers daglige rytme. Deres resultater kaster lys over, hvordan biologiske ure holder tiden på trods af molekylære interferenssignaler i cellerne. Undersøgelsen, der for nylig blev offentliggjort i Nature Communications, blev ledet af Anand Bala Subramaniam, professor i bioteknologi, og Andy LiWang, professor i kemi og biokemi. Førsteforfatteren, Alexander Zhang Tu Li, fik sin ph.d. i Subramaniams laboratorium.

Forskning uddyber vores forståelse af biologisk tidsmåling i alle livsformer

Biologiske ure – også kendt som døgnrytmer – styrer 24-timers cyklusser, der regulerer søvn, stofskifte og andre vitale processer. For at udforske mekanismerne bag cyanobakteriernes døgnrytmer rekonstruerede forskerne urværket i forenklede, cellelignende strukturer kaldet vesikler. Disse vesikler var fyldt med centrale urproteiner, hvoraf det ene var mærket med en fluorescerende markør. De kunstige celler lyste i en regelmæssig 24-timers rytme i mindst fire dage. Men når antallet af urproteiner blev reduceret, eller vesiklerne blev krympet, stoppede den rytmiske glød. Tabet af rytme fulgte et reproducerbart mønster. For at forklare disse resultater udviklede teamet en computermodel. Modellen viste, at jo højere koncentrationen af urproteiner er, jo mere robuste bliver urene, så tusindvis af vesikler kan måle tiden pålideligt – selv om proteinniveauerne varierer en smule mellem vesiklerne.

Modellen antydede også, at en anden komponent i det naturlige cirkadiske system, som er ansvarlig for at tænde og slukke for gener, ikke spiller en væsentlig rolle i opretholdelsen af individuelle ure, men er afgørende for at synkronisere urene i en befolkning. Forskerne fandt også ud af, at nogle urproteiner har en tendens til at klæbe til vesiklernes vægge, hvilket betyder, at der kræves en høj samlet mængde protein for at opretholde en korrekt funktion. “Denne undersøgelse viser, at vi kan analysere og forstå de grundlæggende principper for biologisk tidsmåling ved hjælp af forenklede, syntetiske systemer,” siger Subramaniam. Subramaniams og LiWangs arbejde fremmer metodologien til at studere biologiske ure, siger Mingxu Fang, professor i mikrobiologi ved Ohio State University og ekspert i cirkadiske ure.

Cyanobakteriers døgnrytme er baseret på langsomme biokemiske reaktioner, som i sagens natur er støjende, og det er blevet antaget, at et stort antal urproteiner er nødvendige for at dæmpe denne støj. Denne nye undersøgelse introducerer en metode til at observere rekonstituerede urreaktioner i vesikler af justerbar størrelse, der efterligner cellernes dimensioner. Dette kraftfulde værktøj gør det muligt direkte at teste, hvordan og hvorfor organismer med forskellige cellestørrelser anvender forskellige tidsstrategier, hvilket uddyber vores forståelse af biologiske tidsmekanismer i alle livsformer.