Una nuova ricerca ha dimostrato come un semplice orologio circadiano abbia potenti capacità di filtrare il rumore, migliorando la nostra comprensione di come i circuiti biologici mantengano la loro precisione in ambienti naturali dinamici. Lo studio evidenzia la notevole capacità degli orologi circadiani di adattarsi alle fluttuazioni ambientali mantenendo la loro precisione. I risultati sono importanti per capire come gli organismi – dai batteri agli esseri umani – misurano il tempo in risposta ai cambiamenti esterni come la luce e la temperatura causati dalla rotazione terrestre di 24 ore.

Lo studio, pubblicato su Nature Communications e a cui hanno partecipato ricercatori del Sainsbury Laboratory dell’Università di Cambridge, dell’Imperial College di Londra, dell’Università di Warwick e del Forschungszentrum Jülich, ha scoperto che l’orologio circadiano filtra selettivamente le fluttuazioni dei segnali ambientali, come le variazioni di durata e intensità della luce. Ciò consente all’orologio di ignorare i disturbi minori e di rispondere ai cambiamenti ambientali significativi.

L’orologio circadiano può distinguere tra stimoli significativi e rumore ambientale

Chiunque abbia attraversato diversi fusi orari e sperimentato il jet lag sa quanto sia forte l’influenza dei nostri orologi biologici. Infatti, ogni cellula del corpo umano ha un proprio orologio molecolare che regola i cicli giornalieri nell’arco delle 24 ore. È importante che gli orologi interni delle cellule rimangano sincronizzati per lunghi periodi di tempo, ma anche che possano adattarsi ai cambiamenti dell’ambiente. Il graduale affievolimento dei sintomi del jet lag illustra come i nostri orologi interni si adattino a queste nuove condizioni, regolando il nostro orologio circadiano al nuovo ciclo giorno-notte in un diverso fuso orario.

Anche la maggior parte degli organismi viventi ha orologi interni che controllano le funzioni biologiche. Le piante, ad esempio, devono sapere quando preparare il loro apparato fotosintetico per l’arrivo dell’alba. Poiché l’alba è anticipata ogni giorno dalla primavera all’estate, gli orologi circadiani delle piante devono adattarsi alla diversa lunghezza del giorno. Tuttavia, non devono farsi tentare da una nuvola di passaggio per fermare i loro processi di raccolta della luce. Per capire come l’orologio circadiano distingua tra gli stimoli significativi e il rumore ambientale, come le variazioni temporanee della luce, il gruppo di Locke del Sainsbury Laboratory di Cambridge ha utilizzato il più semplice organismo conosciuto con un orologio circadiano, un cianobatterio chiamato Synechococcus elongatus. Questo organismo unicellulare d’acqua dolce è fotosintetico e, come le piante, ha bisogno di tenere il conto del tempo per sfruttare al meglio la sua permanenza alla luce.

Gli orologi dei cianobatteri sono estremamente robusti

La dottoressa Sasha Eremina, prima autrice dello studio, che ha condotto la ricerca per il suo dottorato, ha dichiarato: “Abbiamo innanzitutto studiato l’accuratezza intrinseca dei ritmi circadiani in condizioni di luce continua. A tal fine, abbiamo sviluppato un dispositivo microfluidico chiamato ‘Green Mother Machine’ per mantenere la cellula madre originale nella parte superiore della camera di crescita, in modo da poterla fotografare con la microscopia a fluorescenza time-lapse a lungo termine. Con la nostra configurazione, siamo stati in grado di osservare la crescita delle singole cellule e l’espressione genica per diversi giorni con una precisione che non era possibile negli studi precedenti”.

Il team ha iniziato a lavorare alla Green Mother Machine nel 2016, basandosi su precedenti progetti di Mother Machine sviluppati per batteri non fotosintetici. Si è scoperto che i cianobatteri sono molto più difficili da coltivare in questi microambienti rispetto ad altri microbi. “Ci sono voluti anni di sperimentazione per superare le sfide tecniche e assicurarci di avere il giusto materiale per i tubi, il giusto design del chip e la giusta integrazione con il sistema di controllo della luce per non danneggiare la fotosintesi e le membrane cellulari”, ha detto il dottor Bruno Martins dell’Università di Warwick. I ricercatori hanno dimostrato che gli orologi dei cianobatteri sono eccezionalmente robusti nonostante la costante interruzione dei componenti dell’orologio e dei meccanismi di regolazione da parte del rumore cellulare. Questa robustezza permette alle cellule di funzionare in sincronia per centinaia di giorni.

Come i circuiti biologici possono funzionare con precisione in ambienti naturali

L’orologio dei cianobatteri è composto da tre proteine Kai che si legano e si separano costantemente sotto l’influenza di un processo biochimico chiamato fosforilazione, dando vita a un ciclo ritmico di 24 ore. Utilizzando modelli matematici e mutagenesi, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che questa robustezza è radicata nel nucleo dell’oscillatore basato sulle proteine Kai e non nella più ampia rete di regolazione genica. Questa scoperta è promettente per coloro che lavorano alle applicazioni della biologia sintetica, dove sono essenziali sistemi stabili di misurazione del tempo.

I ricercatori hanno anche esposto l’orologio cianobatterico a complessi cicli luce-buio, compresi ambienti artificiali e naturali, per capire come si comporta con i cambiamenti climatici giornalieri. In particolare, hanno replicato modelli di luce meteorologica realistici del Mar dei Caraibi, ai quali gli orologi cellulari hanno risposto come previsto dal loro modello matematico. Nonostante le diverse condizioni di luce, l’orologio cianobatterico ha mostrato una notevole capacità di filtrare il rumore ambientale, mantenendo una certa sensibilità ai cambiamenti dell’ambiente. Secondo i ricercatori, i loro risultati illustrano come una semplice rete di orologi possa mostrare complesse proprietà di filtraggio del rumore e approfondiscono la nostra comprensione di come i circuiti biologici possano funzionare con precisione negli ambienti naturali.