Om de circadiane klok in moderne cyanobacteriën beter te begrijpen, heeft een Japans onderzoeksteam oude tijdregistratiesystemen onderzocht. Ze bestudeerden de oscillatie van de klokeiwitten KaiA, KaiB en KaiC (Kai eiwitten) in moderne cyanobacteriën en vergeleken deze met de functie van de Kai eiwitten van hun voorouders. Hun onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications.

Beter begrip van de fysiologische oorsprong van circadiane kloksystemen

“De huidige cyanobacteriën gebruiken een circadiane klok om de licht-donkercyclus van de aarde te voorspellen op basis van de rotatie van de aarde en zo efficiënte fotosynthetische reacties te bewerkstelligen. We wilden weten wanneer oude bacteriën de circadiane klok ontwikkelden en hoe deze eigenschap werd doorgegeven aan de huidige cyanobacteriën,” legt Atsushi Mukaiyama, universitair hoofddocent aan de Fukui Prefectural University, uit.

Cyanobacteriën, ook wel blauwalgen genoemd, zijn fotosynthetische bacteriën die een belangrijke invloed hebben op de oceanen en de atmosfeer van de aarde. Wetenschappers weten dat de laatste gemeenschappelijke voorouder van cyanobacteriën ongeveer 3 miljard jaar geleden ontstond. Het evolueerde tot het huidige ecosysteem tijdens de Grote Oxidatiegebeurtenis, die ongeveer 2,3 miljard jaar geleden plaatsvond toen het zuurstofgehalte in de atmosfeer van de aarde toenam. Deze ontwikkeling zette zich voort tijdens ten minste twee sneeuwbalaarde-gebeurtenissen ongeveer 2,4 en 0,7 miljard jaar geleden, toen de planeet bedekt was met ijs, en tijdens de zuurstofverrijking in het Neoproterozoïcum, toen het zuurstofgehalte van de aarde een tweede keer steeg. De zuurstofverrijking in het Neoproterozoïcum vond plaats tussen 800 en 540 miljoen jaar geleden.

Op basis van fossielen en moleculaire evolutiemodellen vermoeden wetenschappers dat de meest recente gemeenschappelijke voorouder van cyanobacteriën al over primitieve systemen voor zuurstoffotosynthese beschikte. De efficiëntie van fotosynthese wordt sterk beïnvloed door licht-donkercycli in de omgeving. Het onderzoeksteam wilde onderzoeken of primitieve cyanobacteriën een tijdsysteem hadden toen fotosynthese actief werd tijdens de Grote Oxidatiegebeurtenis. Dit zou wetenschappers kunnen helpen om de fysiologische oorsprong van circadiane kloksystemen te begrijpen.

De circadiane klok van cyanobacteriën

Wetenschappers hebben circadiane klokken, d.w.z. interne timers die ervoor zorgen dat een organisme functioneert volgens een 24-uurs ritme, geïdentificeerd in verschillende organismen zoals bacteriën, schimmels, planten en zoogdieren. Het onderzoeksteam bestudeerde de circadiane klok van cyanobacteriën met behulp van de cyanobacteriestam Synechococcus elongatus. Ze reconstrueerden de klokoscillator in een reageerbuis met behulp van het klokeiwit KaiC. Ze bestudeerden ook de functie en structuur van de oorspronkelijke Kai eiwitten om te bepalen hoe zichzelf in stand houdende Kai eiwitten in de loop der tijd evolueerden.

Aangezien bekend is dat licht-donkercycli de efficiëntie van fotosynthese in cyanobacteriën beïnvloeden, wilde het team uitzoeken of oude cyanobacteriën al een zichzelf onderhoudende circadiane klok hadden toen de oude oxidatieprocessen plaatsvonden en de fotosynthetische systemen voor het eerst ontstonden. Ze ontdekten dat snellere ritmische verschijnselen waren gecodeerd in de eiwitten van de oerklok. “De klok van oeroude cyanobacteriën was gesynchroniseerd met een cyclus van 18 tot 20 uur. Dit betekent dat de geschiedenis van de rotatieperiode van de aarde kon worden gereconstrueerd door de evolutie van klok-eiwitmoleculen te volgen,” legt Yoshihiko Furuike, assistent-professor aan het Institute of Molecular Sciences, uit.

Snellere evolutie

De bevindingen van het team tonen aan dat de oudste KaiC in de voorouderlijke bacteriën niet de functie en structuur had die nodig is voor ritmische eigenschappen. Door moleculaire evolutie kregen de Kai eiwitten van de voorouders de benodigde functie en structuur rond de tijd van wereldwijde oxidatie en de sneeuwbalaarde. Ten slotte erfde de meest recente gemeenschappelijke voorouder van fotosynthetische cyanobacteriën deze zichzelf onderhoudende circadiane oscillator. Deze bevindingen zijn zeer nuttig voor wetenschappers bij het begrijpen van chronobiologie. “Ons uiteindelijke doel is om gemodificeerde cyanobacteriën te ontwikkelen die zich kunnen aanpassen aan de rotatieperioden van andere planeten en satellieten dan de aarde door de periode van de Kai proteïne oscillator te verkorten of te verlengen. Cyanobacteriën hebben er lang over gedaan om hun klok te synchroniseren tot 24 uur, maar met moderne kennis en technologie zouden we een nog snellere evolutie kunnen bereiken,” aldus Shuji Akiyama, professor aan het Institute of Molecular Science.