Как циркадные часы сохраняют устойчивость в меняющихся условиях

Новое исследование раскрыло, как простая сеть циркадных часов демонстрирует продвинутые способности к фильтрации "шума", углубляя понимание того, как биологические цепи сохраняют точность в динамичной природной среде.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, показало, что циркадные часы избирательно фильтруют колебания внешних сигналов, таких как сдвиги во времени и интенсивности света. Это позволяет часам игнорировать незначительные помехи, оставаясь чувствительными к существенным изменениям среды.

Для изучения механизмов работы часов группа Locke в Sainsbury Laboratory Cambridge использовала простейший известный организм, обладающий циркадными часами, — цианобактерию Synechococcus elongatus.

Изучение времени требует времени

Для измерения внутренней точности циркадных ритмов в постоянном свете исследователи разработали микрофлюидное устройство "Green Mother Machine". Оно удерживает исходную материнскую клетку в верхней части камеры роста, позволяя проводить долгосрочную флуоресцентную микроскопию с высокой точностью.

Доктор Бруно Мартинс из Университета Уорика отметил, что на преодоление технических сложностей (подбор материалов трубок, дизайна чипа и интеграции с контролем света) ушли годы проб и ошибок.

Исследователи показали, что часы цианобактерий исключительно устойчивы, несмотря на постоянные клеточные помехи. Доктор Филипп Томас из Imperial College London заявил: "Наши генетические воздействия revealed that natural clocks operate at a noise minimum, что указывает на то, что эволюция favors precise timing". Эта устойчивость позволяет клеткам тикать синхронно сотни дней.

Осциллятор на основе белков Kai обеспечивает устойчивость часов

Циркадные часы цианобактерий состоят из трёх белков Kai, которые постоянно ассоциируют и диссоциируют, управляемые биохимическим процессом фосфорилирования, что создаёт ритмичный 24-часовой цикл.

С помощью математического моделирования и мутагенеза учёные доказали, что эта устойчивость заложена в самом осцилляторе на основе белков Kai, а не в более широкой сети генной регуляции.

Исследователи также подвергли часы цианобактерий сложным циклам свет/темнота, включая искусственные и естественные среды, чтобы понять, как они справляются с ежедневными погодными вариациями. В частности, они воссоздали реалистичные метеорологические световые паттерны Карибского моря, на которые клеточные часы отреагировали в соответствии с их математической моделью.

Профессор Джеймс Лок объяснил значимость результатов: "Несмотря на меняющиеся световые условия, часы цианобактерий продемонстрировали remarkable ability to filter out environmental noise while retaining some sensitivity to changes in the environment. Наши findings illustrate how a simple clock network can exhibit complex noise-filtering properties".

Исследование стало результатом сотрудничества лабораторий профессора Джеймса Лока (Sainsbury Laboratory, University of Cambridge), доктора Филиппа Томаса (Imperial College London), доктора Бруно Мартинса (University of Warwick) и доктора Дитриха Колеера (Forschungszentrum Jülich).