Una nueva investigación ha demostrado que un simple reloj circadiano tiene una gran capacidad para filtrar el ruido, lo que mejora nuestra comprensión de cómo los circuitos biológicos mantienen su precisión en entornos naturales dinámicos. El estudio pone de relieve la extraordinaria capacidad de los relojes circadianos para adaptarse a las fluctuaciones ambientales sin perder precisión. Los hallazgos son importantes para comprender cómo los organismos -desde las bacterias hasta los seres humanos- miden el tiempo en respuesta a cambios externos como la luz y la temperatura provocados por la rotación de la Tierra durante 24 horas.

El estudio, publicado en Nature Communications y en el que participaron investigadores del Laboratorio Sainsbury de la Universidad de Cambridge, el Imperial College de Londres, la Universidad de Warwick y el Forschungszentrum Jülich, descubrió que el reloj circadiano filtra selectivamente las fluctuaciones de las señales ambientales, como los cambios en la duración e intensidad de la luz. Esto permite al reloj ignorar perturbaciones menores mientras responde a cambios ambientales significativos.

El reloj circadiano distingue entre estímulos significativos y ruido ambiental

Cualquiera que haya cruzado varias zonas horarias y haya experimentado el desfase horario sabe lo mucho que nos influyen nuestros relojes biológicos. De hecho, cada célula del cuerpo humano tiene su propio reloj molecular que regula los ciclos diarios durante un periodo de 24 horas. Es importante que los relojes internos de las células permanezcan sincronizados durante largos periodos de tiempo, pero también que puedan adaptarse a los cambios del entorno. La desaparición gradual de los síntomas del jet lag ilustra cómo nuestros relojes internos se adaptan a esas nuevas condiciones, ajustando nuestro reloj circadiano al nuevo ciclo día-noche en una zona horaria diferente.

La mayoría de los organismos vivos también tienen relojes internos que controlan las funciones biológicas. Las plantas, por ejemplo, necesitan saber cuándo preparar su aparato fotosintético para la llegada del amanecer. Como el amanecer se adelanta cada día desde la primavera hasta el verano, los relojes circadianos de las plantas deben adaptarse a las diferentes duraciones del día. Sin embargo, no deben dejarse tentar por una nube pasajera para detener sus procesos de captación de luz. Para entender cómo distingue el reloj circadiano entre los estímulos significativos y el ruido ambiental, como los cambios temporales de luz, el grupo de Locke, del Laboratorio Sainsbury de Cambridge, utilizó el organismo más simple conocido con reloj circadiano: una cianobacteria llamada Synechococcus elongatus. Este organismo unicelular de agua dulce es fotosintético y, como las plantas, necesita llevar la cuenta del tiempo para aprovechar al máximo su permanencia en la luz.

Los relojes de las cianobacterias son extremadamente robustos

En palabras de la Dra. Sasha Eremina, primera autora del estudio, que realizó la investigación para su doctorado: «Primero investigamos la precisión intrínseca de los ritmos circadianos bajo luz continua. Para ello, desarrollamos un dispositivo microfluídico denominado ‘Máquina madre verde’ que mantenía la célula madre original en la parte superior de la cámara de crecimiento, de modo que pudiéramos obtener imágenes de la célula mediante microscopía de fluorescencia con lapso de tiempo a largo plazo. Con nuestra configuración, pudimos observar el crecimiento de células individuales y la expresión génica a lo largo de varios días con una precisión que no era posible en estudios anteriores.»

El equipo comenzó a trabajar en la Máquina Madre Verde en 2016, basándose en diseños anteriores de Máquina Madre desarrollados para bacterias no fotosintéticas. Resultó que las cianobacterias son mucho más difíciles de cultivar en estos microambientes que otros microbios. «Fueron necesarios años de experimentación para superar los retos técnicos y asegurarnos de que teníamos el material de tubos adecuado, el diseño de chip adecuado y la integración correcta con el sistema de control de la luz para no dañar la fotosíntesis y las membranas celulares», explica el Dr. Bruno Martins, de la Universidad de Warwick. Los investigadores demostraron que los relojes de las cianobacterias son excepcionalmente robustos a pesar de la constante alteración de los componentes del reloj y los mecanismos reguladores por el ruido celular. Esta robustez permite a las células funcionar sincronizadas durante cientos de días.

Cómo los circuitos biológicos pueden funcionar con precisión en entornos naturales

El reloj de las cianobacterias consta de tres proteínas Kai que se unen y separan constantemente bajo la influencia de un proceso bioquímico llamado fosforilación, dando lugar a un ciclo rítmico de 24 horas. Mediante modelos matemáticos y mutagénesis, los investigadores pudieron demostrar que esta robustez tiene su origen en el núcleo del oscilador basado en la proteína Kai y no en la red reguladora génica más amplia. Este descubrimiento es prometedor para quienes trabajan en aplicaciones de biología sintética, donde los sistemas estables de mantenimiento del tiempo son esenciales.

Los investigadores también expusieron el reloj de la cianobacteria a ciclos complejos de luz y oscuridad, tanto en entornos artificiales como naturales, para entender cómo afronta los cambios climáticos diarios. Sorprendentemente, reprodujeron patrones de luz meteorológica realistas del Mar Caribe, a los que los relojes celulares respondieron de la manera prevista por su modelo matemático. A pesar de las diferentes condiciones de luz, el reloj de las cianobacterias demostró una notable capacidad para filtrar el ruido ambiental, manteniendo al mismo tiempo cierta sensibilidad a los cambios del entorno. Según los investigadores, sus resultados ilustran cómo una simple red de relojes puede exhibir complejas propiedades de filtrado del ruido y profundizan nuestra comprensión de cómo los circuitos biológicos pueden funcionar con precisión en entornos naturales.