Ny forskning visar hur en enkel cirkadisk klocka har en kraftfull förmåga att filtrera brus, vilket förbättrar vår förståelse för hur biologiska kretsar bibehåller sin noggrannhet i dynamiska naturliga miljöer. Studien belyser dygnsklockors anmärkningsvärda förmåga att anpassa sig till miljöfluktuationer samtidigt som de bibehåller sin noggrannhet. Resultaten är viktiga för att förstå hur organismer – från bakterier till människor – mäter tid som svar på yttre förändringar som ljus och temperatur som orsakas av jordens 24-timmarsrotation.

Studien, som publicerades i Nature Communications och involverade forskare från Sainsbury Laboratory vid University of Cambridge, Imperial College London, University of Warwick och Forschungszentrum Jülich, visade att den cirkadiska klockan selektivt filtrerar fluktuationer i miljösignaler, såsom förändringar i ljusets varaktighet och intensitet. Detta gör att klockan kan ignorera mindre störningar samtidigt som den reagerar på betydande miljöförändringar.

Dygnsklockan kan skilja mellan meningsfulla stimuli och miljöbuller

Alla som någonsin har korsat flera tidszoner och upplevt jetlag vet hur starkt våra biologiska klockor påverkar oss. Faktum är att varje cell i människokroppen har sin egen molekylära klocka som reglerar dagliga cykler under en 24-timmarsperiod. Det är viktigt att cellernas inre klockor förblir synkroniserade under långa tidsperioder, men också att de kan anpassa sig till förändringar i miljön. Det gradvisa försvinnandet av jetlag-symtom illustrerar hur våra inre klockor anpassar sig till sådana nya förhållanden genom att justera vår dygnsklocka till den nya dag-natt-cykeln i en annan tidszon.

De flesta levande organismer har också inre klockor som styr biologiska funktioner. Växter måste t.ex. veta när de ska förbereda sin fotosyntesapparat för gryningens ankomst. Eftersom gryningen inträffar tidigare varje dag från vår till sommar måste växternas dygnsklockor anpassa sig till olika dagslängder. De får dock inte låta sig frestas av ett passerande moln att stoppa sina ljusinsamlingsprocesser. För att förstå hur den cirkadiska klockan skiljer mellan meningsfulla stimuli och miljöbuller, t.ex. tillfälliga förändringar i ljuset, använde Locke-gruppen vid Sainsbury Laboratory Cambridge den enklaste kända organismen med en cirkadisk klocka – en cyanobakterie som heter Synechococcus elongatus. Denna encelliga sötvattensorganism är fotosyntetiserande och behöver, precis som växter, hålla reda på tiden för att få ut mesta möjliga av sin tid i ljuset.

Cyanobakteriernas klockor är extremt robusta

Dr. Sasha Eremina, studiens försteförfattare, som genomförde forskningen i samband med sin doktorsexamen, säger: ”Vi undersökte först den inneboende noggrannheten i dygnsrytmen under kontinuerligt ljus. För att göra detta utvecklade vi en mikrofluidisk enhet som kallas ”Green Mother Machine” för att hålla den ursprungliga modercellen högst upp i tillväxtkammaren så att vi kunde avbilda cellen med hjälp av långsiktig time-lapse fluorescensmikroskopi. Med vår uppställning kunde vi observera tillväxten av enskilda celler och genuttryck under flera dagar med en precision som inte var möjlig i tidigare studier.”

Teamet började arbeta med den gröna Mother Machine 2016, baserat på tidigare Mother Machine-design som utvecklats för icke-fotosyntetiska bakterier. Det visade sig att cyanobakterier är mycket svårare att odla i dessa mikromiljöer än andra mikrober. ”Det tog flera år av experiment för att övervinna de tekniska utmaningarna och säkerställa att vi hade rätt slangmaterial, rätt chipdesign och rätt integration med ljusstyrsystemet så att fotosyntesen och cellmembranen inte skadades”, säger Dr. Bruno Martins vid University of Warwick. Forskarna visade att cyanobakteriernas klockor är exceptionellt robusta trots att klockkomponenter och regleringsmekanismer ständigt störs av cellulärt brus. Denna robusthet gör att cellerna kan ticka synkroniserat i hundratals dagar.

Hur biologiska kretsar kan fungera exakt i naturliga miljöer

Cyanobakteriens klocka består av tre Kai-proteiner som ständigt binder och separerar under påverkan av en biokemisk process som kallas fosforylering, vilket resulterar i en rytmisk 24-timmarscykel. Med hjälp av matematiska modeller och mutagenes kunde forskarna visa att denna robusthet är rotad i kärnan av den Kai-proteinbaserade oscillatorn och inte i det bredare genreglerande nätverket. Upptäckten är lovande för dem som arbetar med tillämpningar inom syntetisk biologi, där stabila tidhållningssystem är avgörande.

Forskarna utsatte också den cyanobakteriella klockan för komplexa ljus-mörker-cykler, inklusive artificiella och naturliga miljöer, för att förstå hur den klarar av dagliga väderförändringar. Anmärkningsvärt nog replikerade de realistiska meteorologiska ljusmönster från Karibiska havet, som cellklockorna svarade på ett sätt som förutspåddes av deras matematiska modell. Trots de olika ljusförhållandena visade den cyanobakteriella klockan en anmärkningsvärd förmåga att filtrera bort miljöbrus och samtidigt bibehålla en viss känslighet för förändringar i miljön. Enligt forskarna illustrerar deras resultat hur ett enkelt klocknätverk kan uppvisa komplexa brusfiltreringsegenskaper och fördjupar vår förståelse för hur biologiska kretsar kan fungera exakt i naturliga miljöer.