Gli scienziati della UC Merced hanno sviluppato cellule artificiali in grado di misurare perfettamente il tempo, proprio come l’orologio biologico di 24 ore degli organismi viventi. Ricostituendo il meccanismo circadiano in minuscole vescicole, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che anche sistemi sintetici semplificati possono avere un ritmo giornaliero, a patto di avere abbastanza proteine.

Un team di ricercatori della UC Merced ha scoperto che minuscole cellule artificiali possono misurare il tempo con precisione, imitando il ritmo giornaliero degli organismi viventi. Le loro scoperte fanno luce sul modo in cui gli orologi biologici mantengono il tempo nonostante i segnali di interferenza molecolare all’interno delle cellule. Lo studio, pubblicato recentemente su Nature Communications, è stato guidato da Anand Bala Subramaniam, professore di Bioingegneria, e da Andy LiWang, professore di Chimica e Biochimica. Il primo autore, Alexander Zhang Tu Li, ha conseguito il dottorato nel laboratorio di Subramaniam.

Questa ricerca sta portando avanti la nostra comprensione della misurazione biologica del tempo in tutte le forme di vita.

Gli orologi biologici, noti anche come ritmi circadiani, controllano i cicli di 24 ore che regolano il sonno, il metabolismo e altri processi vitali. Per esplorare i meccanismi alla base dei ritmi circadiani nei cianobatteri, i ricercatori hanno ricostruito il meccanismo dell’orologio in strutture semplificate simili a cellule, chiamate vescicole. Queste vescicole sono state caricate con proteine centrali dell’orologio, una delle quali è stata marcata con un marcatore fluorescente. Le cellule artificiali si sono illuminate a un ritmo regolare di 24 ore per almeno quattro giorni. Tuttavia, quando il numero di proteine dell’orologio è stato ridotto o le vescicole si sono ristrette, il bagliore ritmico è cessato. La perdita del ritmo ha seguito uno schema riproducibile. Per spiegare questi risultati, il team ha sviluppato un modello al computer. Il modello ha mostrato che più alta è la concentrazione di proteine dell’orologio, più robusti diventano gli orologi, permettendo a migliaia di vescicole di misurare il tempo in modo affidabile, anche se i livelli di proteine variano leggermente da una vescicola all’altra.

Il modello suggerisce anche che un’altra componente del sistema circadiano naturale, responsabile dell’attivazione e della disattivazione dei geni, non svolge un ruolo importante nel mantenimento degli orologi individuali, ma è essenziale per la sincronizzazione degli orologi in una popolazione. I ricercatori hanno anche scoperto che alcune proteine dell’orologio tendono ad aderire alle pareti delle vescicole, il che significa che è necessaria una grande quantità totale di proteine per mantenere il corretto funzionamento. “Questo studio dimostra che possiamo analizzare e comprendere i principi di base della misurazione del tempo biologico utilizzando sistemi sintetici semplificati”, afferma Subramaniam. Il lavoro di Subramaniam e LiWang fa progredire la metodologia di studio degli orologi biologici”, ha dichiarato Mingxu Fang, professore di microbiologia alla Ohio State University ed esperto di orologi circadiani.

L’orologio circadiano dei cianobatteri si basa su reazioni biochimiche lente che sono intrinsecamente rumorose, ed è stato ipotizzato che per attenuare questo rumore sia necessario un gran numero di proteine dell’orologio. Questo nuovo studio presenta un metodo per osservare le reazioni dell’orologio ricostituito in vescicole di dimensioni regolabili che imitano le dimensioni delle cellule. Questo potente strumento ci permette di verificare direttamente come e perché organismi con cellule di dimensioni diverse utilizzano strategie di orologio diverse, approfondendo la nostra comprensione dei meccanismi dell’orologio biologico in tutte le forme di vita.