Учёные раскрыли механизм «тиканья» циркадных часов у цианобактерий

Исследователи из Института молекулярных наук (IMS)/SOKENDAI и Университета Кюсю обнаружили молекулярный механизм, который управляет «тиканьем» циркадных часов у цианобактерий.

Их исследование показывает, как часовой белок KaiC с высокой точностью контролирует химические реакции, действуя как стрелка часов, которая ждёт, а затем движется в нужный момент. Результаты опубликованы в PNAS Nexus.

Циркадные часы — это внутренние системы отсчёта времени, которые есть у большинства живых организмов. Только у цианобактерий эта система, состоящая из трёх белков (KaiA, KaiB и KaiC), может быть полностью воспроизведена в пробирке. В ней KaiC проходит цикл фосфорилирования и дефосфорилирования каждые 24 часа.

Ключевой загадкой оставалось, как именно фосфатная группа присоединяется к KaiC. Чтобы это выяснить, команда сосредоточилась на изолированном белке KaiC, без KaiA и KaiB.

Они обнаружили, что даже в одиночестве KaiC может медленно связывать фосфат. Это указывает, что фундаментальное «тиканье» часов заложено в самом KaiC.

Используя структурные данные KaiC с почти атомарным разрешением, учёные смоделировали реакцию фосфорилирования с помощью методов молекулярной динамики и квантово-химического моделирования.

Было установлено, что тонкие изменения в расположении определённых аминокислот — остатков глутамата и аргинина — служат молекулярными триггерами. Они контролируют, может ли фосфатная группа связаться с белком, действуя как временные ворота, которые останавливают или разрешают реакцию. KaiC удерживает «стрелку» часов на месте до точного момента её движения.

Этот механизм не ограничен цианобактериями. Многие организмы, включая человека, используют фосфорилирование для регуляции своих внутренних часов. Исследование даёт фундаментальное понимание универсальной логики биологического хронометража.

Поскольку фосфорилирование связано с различными заболеваниями, понимание того, как белки контролируют время химических реакций, может иметь широкое применение в биомедицине и дизайне лекарств.

В то время как данное исследование сосредоточено на процессе фосфорилирования, механизм дефосфорилирования остаётся менее изученным и является ключевой темой для будущих работ.