Neue Forschungsergebnisse haben gezeigt, wie ein einfaches circadianes Uhrwerk über ausgeprägte Fähigkeiten zur Geräuschfilterung verfügt, was unser Verständnis davon verbessert, wie biologische Schaltkreise in dynamischen natürlichen Umgebungen ihre Genauigkeit aufrechterhalten. Die Studie unterstreicht die bemerkenswerte Fähigkeit circadianer Uhren, sich an Umweltschwankungen anzupassen und dabei ihre Genauigkeit zu bewahren. Die Ergebnisse sind von Bedeutung für das Verständnis, wie Organismen – von Bakterien bis hin zum Menschen – als Reaktion auf äußere Veränderungen wie Licht und Temperatur, die durch die 24-stündige Rotation der Erde verursacht werden, die Zeit messen.

Die in Nature Communications veröffentlichte Studie, an der Forscher des Sainsbury Laboratory der Universität Cambridge, des Imperial College London, der Universität Warwick und des Forschungszentrums Jülich mitgewirkt haben, hat herausgefunden, dass die circadiane Uhr Schwankungen in Umweltsignalen, wie z. B. Veränderungen der Lichtdauer und -intensität, selektiv filtert. Dadurch kann die Uhr geringfügige Störungen ignorieren und gleichzeitig auf bedeutende Umweltveränderungen reagieren.

Die circadiane Uhr kann zwischen bedeutungsvollen Reizen und Umweltgeräuschen unterscheiden

Jeder, der schon einmal mehrere Zeitzonen überquert und einen Jetlag erlebt hat, weiß, wie stark unsere biologischen Uhren uns beeinflussen. Tatsächlich hat jede Zelle im menschlichen Körper ihre eigene molekulare Uhr, die die täglichen Zyklen über einen Zeitraum von 24 Stunden reguliert. Es ist wichtig, dass die inneren Uhren der Zellen über lange Zeiträume hinweg synchron bleiben, sich aber auch an Veränderungen in der Umgebung anpassen können. Die allmählich abklingenden Jetlag-Symptome veranschaulichen, wie sich unsere inneren Uhren an solche neuen Bedingungen anpassen – indem sich unsere circadiane Uhr an den neuen Tag-Nacht-Zyklus in einer anderen Zeitzone anpasst.

Die meisten Lebewesen verfügen auch über innere Uhren, die biologische Funktionen steuern. Pflanzen müssen beispielsweise wissen, wann sie ihre Photosyntheseapparate auf die Ankunft der Morgendämmerung vorbereiten müssen. Da die Morgendämmerung von Frühling bis Sommer jeden Tag früher einsetzt, müssen sich die circadianen Uhren der Pflanzen an unterschiedliche Tageslängen anpassen. Sie dürfen sich jedoch nicht durch eine vorüberziehende Wolke dazu verleiten lassen, ihre Lichtgewinnungsprozesse einzustellen. Um zu verstehen, wie die circadiane Uhr zwischen bedeutungsvollen Reizen und Umweltgeräuschen wie vorübergehenden Lichtveränderungen unterscheidet, verwendete die Locke-Gruppe am Sainsbury Laboratory Cambridge den einfachsten bekannten Organismus, der über eine circadiane Uhr verfügt – eine Cyanobakterie namens Synechococcus elongatus. Dieser einzellige Süßwasserorganismus ist photosynthetisch und muss wie Pflanzen die Zeit im Auge behalten, um seine Zeit im Licht optimal zu nutzen.

Cyanobakterien-Uhren sind äußerst robust

Dr. Sasha Eremina, Erstautorin der Studie, die die Forschung für ihre Doktorarbeit durchgeführt hat, sagte: „Wir haben zunächst die intrinsische Genauigkeit der circadianen Rhythmen bei kontinuierlichem Licht untersucht. Dazu haben wir ein Mikrofluidikgerät entwickelt, das wir „Green Mother Machine“ nennen, um die ursprüngliche Mutterzelle oben in der Wachstumskammer zu halten, sodass wir die Zelle mit Hilfe von Langzeit-Zeitraffer-Fluoreszenzmikroskopie abbilden konnten. Mit unserem Aufbau konnten wir das Wachstum einzelner Zellen und die Genexpression über mehrere Tage hinweg mit einer Präzision beobachten, die in früheren Studien nicht möglich war.“

Das Team begann bereits 2016 mit der Arbeit an der Green Mother Machine, basierend auf früheren Mother Machine-Entwürfen, die für nicht photosynthetische Bakterien entwickelt worden waren. Es stellte sich heraus, dass es viel schwieriger ist, Cyanobakterien in diesen Mikroumgebungen zum Wachsen zu bringen als andere Mikroben. „Es erforderte jahrelange Versuche, um die technischen Herausforderungen zu meistern und sicherzustellen, dass wir das richtige Schlauchmaterial, das richtige Chipdesign und die richtige Integration mit der Lichtsteuerung hatten, um die Photosynthese und die Zellmembranen nicht zu schädigen“, sagte Dr. Bruno Martins von der University of Warwick. Die Forscher zeigten, dass Cyanobakterien-Uhren trotz ständiger Störungen der Uhrkomponenten und Regulationsmechanismen durch zelluläre Geräusche außergewöhnlich robust sind. Diese Robustheit ermöglicht es den Zellen, über Hunderte von Tagen synchron zu ticken.

Wie biologische Schaltkreise in natürlichen Umgebungen präzise funktionieren können

Die Uhr der Cyanobakterien besteht aus drei Kai-Proteinen, die sich unter dem Einfluss eines biochemischen Prozesses namens Phosphorylierung ständig verbinden und wieder trennen, was zu einem rhythmischen 24-Stunden-Zyklus führt. Mithilfe von mathematischen Modellen und Mutagenese konnten die Forscher zeigen, dass diese Robustheit im Kern des Kai-Protein-basierten Oszillators begründet ist und nicht im umfassenderen Genregulationsnetzwerk. Diese Entdeckung ist vielversprechend für diejenigen, die sich mit Anwendungen der synthetischen Biologie beschäftigen, wo stabile Zeitmesssysteme unerlässlich sind.

Die Forscher setzten die Cyanobakterienuhr auch komplexen Hell-Dunkel-Zyklen aus, darunter künstliche und natürliche Umgebungen, um zu verstehen, wie sie mit täglichen Wetteränderungen umgehen. Bemerkenswert ist, dass sie realistische meteorologische Lichtmuster aus dem Karibischen Meer nachbildeten, auf die die Zelluhren in einer Weise reagierten, die durch ihr mathematisches Modell vorhergesagt worden war. Trotz der unterschiedlichen Lichtverhältnisse zeigte die Cyanobakterien-Uhr eine bemerkenswerte Fähigkeit, Umgebungsgeräusche herauszufiltern und gleichzeitig eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen in der Umgebung beizubehalten. Laut den Forschern konnten ihre Ergebnisse veranschaulichen, wie ein einfaches Uhrennetzwerk komplexe Rauschfilterungseigenschaften aufweisen kann, und vertiefen das Verständnis davon, wie biologische Schaltkreise in natürlichen Umgebungen präzise funktionieren können.