Naukowcy z UC Merced opracowali sztuczne komórki, które mogą doskonale mierzyć czas – podobnie jak 24-godzinny zegar biologiczny w żywych organizmach. Rekonstruując mechanizm okołodobowy w maleńkich pęcherzykach, naukowcy byli w stanie wykazać, że nawet uproszczone systemy syntetyczne mogą świecić w rytmie dobowym – pod warunkiem, że mają wystarczającą ilość białek.

Zespół naukowców z UC Merced odkrył, że maleńkie sztuczne komórki mogą dokładnie mierzyć czas, naśladując rytm dobowy żywych organizmów. Ich odkrycia rzucają światło na to, w jaki sposób zegary biologiczne utrzymują czas pomimo molekularnych sygnałów zakłócających w komórkach. Badaniem, opublikowanym niedawno w Nature Communications, kierowali Anand Bala Subramaniam, profesor bioinżynierii, oraz Andy LiWang, profesor chemii i biochemii. Pierwszy autor, Alexander Zhang Tu Li, uzyskał tytuł doktora w laboratorium Subramaniama.

Badania pogłębiają naszą wiedzę na temat biologicznego pomiaru czasu we wszystkich formach życia

Zegary biologiczne – znane również jako rytmy okołodobowe – kontrolują 24-godzinne cykle, które regulują sen, metabolizm i inne procesy życiowe. Aby zbadać mechanizmy stojące za rytmem okołodobowym sinic, naukowcy zrekonstruowali zegar w uproszczonych, podobnych do komórek strukturach zwanych pęcherzykami. Pęcherzyki te zostały wypełnione podstawowymi białkami zegarowymi, z których jedno zostało oznaczone markerem fluorescencyjnym. Sztuczne komórki świeciły w regularnym 24-godzinnym rytmie przez co najmniej cztery dni. Jednakże, gdy liczba białek zegarowych została zmniejszona lub pęcherzyki zostały skurczone, rytmiczne świecenie ustało. Utrata rytmu następowała według powtarzalnego wzorca. Aby wyjaśnić te wyniki, zespół opracował model komputerowy. Model wykazał, że im wyższe stężenie białek zegarowych, tym bardziej wytrzymałe stają się zegary, umożliwiając tysiącom pęcherzyków niezawodne mierzenie czasu – nawet jeśli poziomy białek różnią się nieznacznie między pęcherzykami.

Model sugerował również, że inny składnik naturalnego systemu okołodobowego, który jest odpowiedzialny za włączanie i wyłączanie genów, nie odgrywa znaczącej roli w utrzymaniu indywidualnych zegarów, ale jest niezbędny do synchronizacji zegarów populacji. Naukowcy odkryli również, że niektóre białka zegarowe mają tendencję do przyklejania się do ścian pęcherzyków, co oznacza, że do utrzymania prawidłowego funkcjonowania wymagana jest duża całkowita ilość białka. „To badanie pokazuje, że możemy przeanalizować i zrozumieć podstawowe zasady biologicznego pomiaru czasu przy użyciu uproszczonych, syntetycznych systemów” – powiedział Subramaniam. Praca Subramaniama i LiWanga rozwija metodologię badania zegarów biologicznych, powiedział Mingxu Fang, profesor mikrobiologii na Ohio State University i ekspert w dziedzinie zegarów okołodobowych.

Zegar okołodobowy cyjanobakterii opiera się na powolnych reakcjach biochemicznych, które są z natury hałaśliwe, i postawiono hipotezę, że do buforowania tego hałasu wymagana jest duża liczba białek zegarowych. Nowe badanie wprowadza metodę obserwacji odtworzonych reakcji zegarowych w pęcherzykach o regulowanej wielkości, które naśladują wymiary komórek. To potężne narzędzie umożliwia bezpośrednie sprawdzenie, w jaki sposób i dlaczego organizmy o różnych rozmiarach komórek stosują różne strategie czasowe, pogłębiając nasze zrozumienie biologicznych mechanizmów czasowych we wszystkich formach życia.