Биолошки сат одржава 24-часовни циклус променом функционисања гена у топлим условима

Истраживачи које је предводио Ген Куросава у РИКЕН Центру за интердисциплинарне теоријске и математичке науке (iTHEMS) у Јапану користили су теоријску физику да би открили како наш биолошки сат одржава стабилан 24-часовни циклус чак и када се температура промени.

Открили су да се ова стабилност постиже суптилном променом у „облику“ ритмова активности гена на вишим температурама, процесом познатим као изобличење таласног облика. Овај процес не само да помаже у одржавању тачног времена, већ утиче и на то колико добро се наши унутрашњи сатови синхронизују са циклусом дана и ноћи. Студија је објављена у часопису PLOS Computational Biology.

Да ли сте се икада запитали како ваше тело зна када да спава или се буди? Одговор је једноставан: Ваше тело има биолошки сат који ради у циклусу од отприлике 24 сата. Али пошто се већина хемијских реакција убрзава како температура расте, остала је мистерија како тело компензује промене температуре током године — или чак док се крећемо између летње врућине напољу и хладноће климатизованих просторија.

Биолошки сат функционише на основу цикличних флуктуација у нивоима иРНК – молекула који кодирају производњу протеина – које се јављају када се одређени гени ритмички укључују и искључују. Баш као што се кретање клатна може описати математичким синусним таласом, који глатко расте и пада, ритам производње и распада иРНК може се представити осцилаторним таласом.

Куросавин тим у RIKEN iTHEMS-у, заједно са колегама са YITP Универзитета у Кјоту, применио је методе из теоријске физике како би анализирао математичке моделе који описују ове ритмичке осцилације иРНК. Конкретно, користили су метод ренормализационе групе, моћан алат из физике који омогућава издвајање кључних, споро променљивих динамичких процеса из ритмичког система иРНК.

Анализа је показала да су, како је температура расла, нивои мРНК расли брже и падали спорије, али је трајање једног циклуса остајало константно. На графикону, овај ритам на високим температурама изгледао је као искривљени, асиметрични талас.

Да би тестирали теоријске закључке на живим организмима, истраживачи су анализирали експерименталне податке о воћним мушицама и мишевима. Заиста, на повишеним температурама, ове животиње су показале предвиђена изобличења таласних облика, што је потврдило исправност теоријског модела.

Научници закључују да је изобличење таласног облика кључно за компензацију температуре у биолошком сату, посебно за успоравање пада нивоа мРНК са сваким циклусом.

Тим је такође открио да изобличење таласног облика утиче на способност биолошког сата да се синхронизује са спољним сигналима, као што су светлост и тама. Анализа је показала да је са већим изобличењем таласног облика, сат стабилнији и мање под утицајем спољних сигнала.

Овај теоријски закључак поклопио се са експерименталним посматрањима код мува и гљивица и важан је јер су неправилни циклуси светлости и таме постали део модерног живота већине људи.

„Наши резултати показују да је изобличење таласног облика кључни елемент у начину на који биолошки сат остаје тачан и синхронизован, чак и када се температура мења“, каже Куросава.

Он додаје да би се будућа истраживања могла фокусирати на идентификовање молекуларних механизама који успоравају пад нивоа иРНК и узрокују изобличење облика таласа. Истраживачи се такође надају да ће проучити како се ово изобличење разликује између врста или чак појединаца, јер старост и индивидуалне разлике могу утицати на функционисање биолошког сата.

„Дугорочно гледано“, примећује Куросава, „степен изобличења таласног облика у генима сата могао би постати биомаркер за боље разумевање поремећаја спавања, промене временске зоне и ефеката старења на унутрашњи сат. Такође би могао открити универзалне обрасце ритмова – не само у биологији већ у било ком систему са понављајућим циклусима.“