Nový výskum ukázal, že jednoduché cirkadiánne hodiny majú silné schopnosti filtrovania šumu, čo zlepšuje naše chápanie toho, ako si biologické obvody udržiavajú svoju presnosť v dynamickom prírodnom prostredí. Štúdia poukazuje na pozoruhodnú schopnosť cirkadiánnych hodín prispôsobiť sa výkyvom prostredia a zároveň si zachovať svoju presnosť. Zistenia sú dôležité pre pochopenie toho, ako organizmy – od baktérií až po ľudí – merajú čas v reakcii na vonkajšie zmeny, ako je svetlo a teplota spôsobené 24-hodinovou rotáciou Zeme.

Štúdia uverejnená v časopise Nature Communications, na ktorej sa podieľali výskumníci zo Sainsburyho laboratória na Univerzite v Cambridge, Imperial College London, Univerzity vo Warwicku a Forschungszentrum Jülich, zistila, že cirkadiánne hodiny selektívne filtrujú výkyvy environmentálnych signálov, ako sú zmeny v trvaní a intenzite svetla. To umožňuje hodinám ignorovať menšie poruchy a zároveň reagovať na významné zmeny prostredia.

Cirkadiánne hodiny dokážu rozlišovať medzi významnými podnetmi a environmentálnym hlukom

Každý, kto niekedy prešiel viaceré časové pásma a zažil jet lag, vie, ako silno nás naše biologické hodiny ovplyvňujú. V skutočnosti má každá bunka v ľudskom tele svoje vlastné molekulárne hodiny, ktoré regulujú denné cykly počas 24 hodín. Je dôležité, aby vnútorné hodiny buniek zostali synchronizované počas dlhých časových období, ale aj to, aby sa dokázali prispôsobiť zmenám v prostredí. Postupné odznievanie príznakov jet lagu ilustruje, ako sa naše vnútorné hodiny prispôsobujú takýmto novým podmienkam – prispôsobením cirkadiánnych hodín novému cyklu dňa a noci v inom časovom pásme.

Väčšina živých organizmov má tiež vnútorné hodiny, ktoré riadia biologické funkcie. Napríklad rastliny potrebujú vedieť, kedy majú pripraviť svoj fotosyntetický aparát na príchod svitania. Keďže svitanie nastáva každý deň od jari do leta skôr, cirkadiánne hodiny rastlín sa musia prispôsobiť rôznej dĺžke dňa. Nesmú sa však nechať zlákať prechádzajúcim mrakom, aby zastavili svoje procesy zberu svetla. Na pochopenie toho, ako cirkadiánne hodiny rozlišujú medzi zmysluplnými podnetmi a environmentálnym šumom, ako sú dočasné zmeny svetla, použila Lockova skupina v Sainsbury Laboratory Cambridge najjednoduchší známy organizmus s cirkadiánnymi hodinami – cyanobaktériu Synechococcus elongatus. Tento jednobunkový sladkovodný organizmus je fotosyntetický a podobne ako rastliny potrebuje sledovať čas, aby čo najlepšie využil svoj čas na svetle.

Hodiny siníc sú mimoriadne odolné

Dr. Sasha Eremina, prvá autorka štúdie, ktorá výskum uskutočnila v rámci svojho doktorandského štúdia, povedala: „Najprv sme skúmali vnútornú presnosť cirkadiánnych rytmov pri nepretržitom svetle. Na tento účel sme vyvinuli mikrofluidné zariadenie nazvané ‚Green Mother Machine‘, ktoré udržiava pôvodnú materskú bunku v hornej časti rastovej komory, aby sme ju mohli zobraziť pomocou dlhodobej časozbernej fluorescenčnej mikroskopie. Vďaka nášmu nastaveniu sme mohli pozorovať rast jednotlivých buniek a expresiu génov počas niekoľkých dní s presnosťou, ktorá nebola možná v predchádzajúcich štúdiách.“

Tím začal pracovať na zelenom materskom stroji v roku 2016 na základe predchádzajúcich návrhov materského stroja vyvinutých pre nefotosyntetické baktérie. Ukázalo sa, že sinice sa v týchto mikroprostrediach pestujú oveľa ťažšie ako iné mikróby. „Trvalo roky experimentovania, kým sme prekonali technické výzvy a zabezpečili, aby sme mali správny materiál na trubice, správny dizajn čipu a správnu integráciu so systémom riadenia svetla, aby sme nepoškodili fotosyntézu a bunkové membrány,“ povedal Dr. Bruno Martins z University of Warwick. Výskumníci ukázali, že hodiny siníc sú výnimočne robustné napriek neustálemu narušovaniu hodinových komponentov a regulačných mechanizmov bunkovým šumom. Táto robustnosť umožňuje bunkám synchronizovane tikať stovky dní.

Ako môžu biologické obvody fungovať presne v prirodzenom prostredí

Hodiny cyanobaktérií pozostávajú z troch Kaiových proteínov, ktoré sa neustále spájajú a rozdeľujú pod vplyvom biochemického procesu nazývaného fosforylácia, čo vedie k rytmickému 24-hodinovému cyklu. Pomocou matematických modelov a mutagenézy sa výskumníkom podarilo preukázať, že táto robustnosť je zakorenená v jadre oscilátora založeného na proteínoch Kai a nie v širšej regulačnej sieti génov. Tento objav je sľubný pre tých, ktorí pracujú na aplikáciách syntetickej biológie, kde sú stabilné systémy udržiavania času nevyhnutné.

Výskumníci tiež vystavili cyanobakteriálne hodiny komplexným svetelno-temným cyklom vrátane umelého a prírodného prostredia, aby pochopili, ako sa vyrovnávajú s dennými zmenami počasia. Pozoruhodné je, že sa im podarilo zreplikovať realistické meteorologické svetelné modely z Karibského mora, na ktoré bunkové hodiny reagovali spôsobom, ktorý predpovedal ich matematický model. Napriek rôznym svetelným podmienkam sinice preukázali pozoruhodnú schopnosť odfiltrovať environmentálny šum, pričom si zachovali určitú citlivosť na zmeny prostredia. Podľa vedcov ich výsledky ilustrujú, ako môže jednoduchá sieť hodín vykazovať komplexné vlastnosti filtrovania šumu, a prehlbujú naše chápanie toho, ako môžu biologické obvody fungovať práve v prirodzenom prostredí.