För att bättre förstå den cirkadiska klockan i moderna cyanobakterier har ett japanskt forskarlag undersökt uråldriga tidhållningssystem. De studerade oscillationen hos klockproteinerna KaiA, KaiB och KaiC (Kai-proteinerna) i moderna cyanobakterier och jämförde den med funktionen hos Kai-proteinerna hos deras förfäder. Deras forskningsresultat publicerades i Nature Communications.
Bättre förståelse för det fysiologiska ursprunget till dygnsklocksystem
”Dagens cyanobakterier använder en cirkadisk klock a för att förutsäga jordens ljus-mörker-cykel baserat på dess rotation och därigenom uppnå effektiva fotosyntetiska reaktioner. Vi ville veta när forntida bakterier utvecklade dygnsklockan och hur denna egenskap fördes vidare till dagens cyanobakterier”, förklarar Atsushi Mukaiyama, docent vid Fukui Prefectural University.
Cyanobakterier, som ibland kallas blågröna alger, är fotosyntetiserande bakterier som har en viktig inverkan på jordens hav och atmosfär. Forskarna vet att cyanobakteriernas sista gemensamma förfader uppstod för cirka 3 miljarder år sedan. Den utvecklades till dagens ekosystem under den stora oxidationshändelsen, som ägde rum för cirka 2,3 miljarder år sedan när syrehalten i jordens atmosfär ökade. Denna utveckling fortsatte under minst två snöbollsjordar för ca 2,4 och 0,7 miljarder år sedan, då planeten var täckt av is, samt under syreberikningen under neoproterozoikum, då jordens syrehalt ökade en andra gång. Syreanrikningen under neoproterozoikum ägde rum för mellan 800 och 540 miljoner år sedan.
Baserat på fossiler och molekylära evolutionsmodeller misstänker forskarna att cyanobakteriernas senaste gemensamma förfader redan hade primitiva system för fotosyntes av syre. Fotosyntesens effektivitet påverkas starkt av ljus-mörker-cyklerna i miljön. Forskargruppen ville undersöka om primitiva cyanobakterier hade ett tidssystem när fotosyntesen blev aktiv under den stora oxidationshändelsen. Detta skulle kunna hjälpa forskarna att förstå det fysiologiska ursprunget till dygnsrytmsystem.
Dygnsklockan hos cyanobakterier
Forskare har identifierat cirkadiska klockor, dvs. interna timers som får en organism att fungera enligt en 24-timmarsrytm, i olika organismer som bakterier, svampar, växter och däggdjur. Forskargruppen studerade cyanobakteriernas dygnsklocka med hjälp av cyanobakteriestammen Synechococcus elongatus. De rekonstruerade klockoscillatorn i ett provrör med hjälp av klockproteinet KaiC. De studerade också funktionen och strukturen hos de ursprungliga Kai-proteinerna för att avgöra hur självförsörjande Kai-proteinoscillatorer utvecklats över tiden.
Eftersom det är känt att ljus- och mörkcykler påverkar fotosyntesens effektivitet hos cyanobakterier ville teamet ta reda på om forntida cyanobakterier redan hade en självunderhållande dygnsklocka när de forntida oxidationsprocesserna ägde rum och fotosyntetiska system först uppstod. De upptäckte att snabbare rytmiska fenomen var kodade i proteinerna i den ursprungliga klockan. ”Klockan hos forntida cyanobakterier var synkroniserad till en cykel på 18 till 20 timmar. Detta innebär att jordens rotationsperiod kan rekonstrueras genom att spåra utvecklingen av klockans proteinmolekyler”, förklarar Yoshihiko Furuike, biträdande professor vid Institute of Molecular Sciences.
Snabbare evolution
Teamets resultat visar att de äldsta KaiC i de ursprungliga bakterierna inte hade den funktion och struktur som krävs för rytmiska egenskaper. Genom molekylär evolution fick Kai-proteinerna hos förfäderna den nödvändiga funktionen och strukturen runt tiden för global oxidation och snöbollsjorden. Slutligen ärvde den senaste gemensamma förfadern till fotosyntetiserande cyanobakterier denna självunderhållande cirkadiska oscillator. Dessa fynd är till stor hjälp för forskarna när det gäller att förstå kronobiologin. ”Vårt slutmål är att utveckla modifierade cyanobakterier som kan anpassa sig till rotationsperioderna hos andra planeter och satelliter än jorden genom att förkorta eller förlänga perioden för Kai-proteinoscillatorn. Det tog lång tid för cyanobakterierna att synkronisera sin klocka till 24 timmar, men med modern kunskap och teknik skulle vi kunna uppnå en ännu snabbare evolution”, säger Shuji Akiyama, professor vid Institute of Molecular Science.
