Biološki sat održava 24-satni ciklus promjenom funkcioniranja gena u toplim uvjetima

Istraživači predvođeni Genom Kurosawom iz RIKEN Centra za interdisciplinarne teorijske i matematičke znanosti (iTHEMS) u Japanu koristili su teorijsku fiziku kako bi otkrili kako naš biološki sat održava stabilan 24-satni ciklus čak i kada se temperatura mijenja.

Otkrili su da se ta stabilnost postiže suptilnom promjenom u "obliku" ritmova aktivnosti gena na višim temperaturama, procesom poznatim kao izobličenje valnog oblika. Ovaj proces ne samo da pomaže u održavanju točnog vremena, već utječe i na to koliko se dobro naši unutarnji satovi sinkroniziraju s ciklusom dana i noći. Studija je objavljena u časopisu PLOS Computational Biology.

Jeste li se ikada pitali kako vaše tijelo zna kada treba spavati ili se probuditi? Odgovor je jednostavan: Vaše tijelo ima biološki sat koji radi u ciklusu od otprilike 24 sata. No, budući da se većina kemijskih reakcija ubrzava s porastom temperature, misterij je kako tijelo kompenzira promjene temperature tijekom godine - ili čak dok se krećemo između ljetne vrućine vani i hladnoće klimatiziranih prostorija.

Biološki sat funkcionira na temelju cikličkih fluktuacija u razinama mRNA - molekula koje kodiraju proizvodnju proteina - koje se javljaju kada se određeni geni ritmički uključuju i isključuju. Baš kao što se kretanje njihala može opisati matematičkim sinusnim valom, koji glatko raste i pada, ritam proizvodnje i raspada mRNA može se predstaviti oscilatornim valom.

Kurosawin tim na RIKEN iTHEMS-u, zajedno s kolegama sa Sveučilišta YITP Kyoto, primijenio je metode iz teorijske fizike kako bi analizirao matematičke modele koji opisuju ove ritmičke oscilacije mRNA. Posebno su koristili metodu renormalizacijske grupe, moćan alat iz fizike koji omogućuje izdvajanje ključnih, sporo promjenjivih dinamičkih procesa iz ritmičkog sustava mRNA.

Analiza je pokazala da su s porastom temperature razine mRNA brže rasle i sporije padale, ali je trajanje jednog ciklusa ostalo konstantno. Na grafu je ovaj ritam pri visokim temperaturama izgledao kao iskrivljeni, asimetrični val.

Kako bi testirali teorijske zaključke na živim organizmima, istraživači su analizirali eksperimentalne podatke o vinskim mušicama i miševima. Doista, na povišenim temperaturama, ove su životinje pokazale predviđena izobličenja valnog oblika, što je potvrdilo ispravnost teorijskog modela.

Znanstvenici zaključuju da je izobličenje valnog oblika ključno za kompenzaciju temperature u biološkom satu, posebno za usporavanje pada razine mRNA sa svakim ciklusom.

Tim je također otkrio da izobličenje valnog oblika utječe na sposobnost tjelesnog sata da se sinkronizira s vanjskim znakovima, poput svjetla i tame. Analiza je pokazala da je s većim izobličenjem valnog oblika sat stabilniji i manje pod utjecajem vanjskih znakova.

Ovaj teorijski zaključak podudarao se s eksperimentalnim opažanjima kod muha i gljiva te je važan jer su nepravilni ciklusi svjetla i tame postali dio modernog života većine ljudi.

„Naši rezultati pokazuju da je izobličenje valnog oblika ključni element u načinu na koji biološki sat ostaje točan i sinkroniziran, čak i kada se temperatura mijenja“, kaže Kurosawa.

Dodaje da bi se buduća istraživanja mogla usredotočiti na identificiranje molekularnih mehanizama koji usporavaju pad razine mRNA i uzrokuju izobličenje valnog oblika. Istraživači se također nadaju proučiti kako se to izobličenje razlikuje između vrsta ili čak pojedinaca, budući da dob i individualne razlike mogu utjecati na funkcioniranje biološkog sata.

„Dugoročno gledano“, napominje Kurosawa, „stupanj izobličenja valnog oblika u genima sata mogao bi postati biomarker za bolje razumijevanje poremećaja spavanja, promjene vremenskih zona i učinaka starenja na unutarnji sat. Također bi mogao otkriti univerzalne obrasce ritmova - ne samo u biologiji već u bilo kojem sustavu s ponavljajućim ciklusima.“