Bioloģiskais pulkstenis uztur 24 stundu ciklu, mainot gēnu darbību siltos apstākļos.

Pētnieki Džena Kurosavas vadībā RIKEN Starpdisciplināro teorētisko un matemātisko zinātņu centrā (iTHEMS) Japānā ir izmantojuši teorētisko fiziku, lai atklātu, kā mūsu bioloģiskais pulkstenis uztur stabilu 24 stundu ciklu pat tad, ja mainās temperatūra.

Viņi atklāja, ka šī stabilitāte tiek panākta, pateicoties nelielai gēnu aktivitātes ritmu "formas" maiņai augstākās temperatūrās, un šis process ir pazīstams kā viļņu formas deformācija. Šis process ne tikai palīdz saglabāt precīzu laiku, bet arī ietekmē to, cik labi mūsu iekšējie pulksteņi sinhronizējas ar diennakts ciklu. Pētījums ir publicēts žurnālā PLOS Computational Biology.

Vai esat kādreiz domājuši, kā jūsu ķermenis zina, kad gulēt vai mosties? Atbilde ir vienkārša: jūsu ķermenim ir bioloģiskais pulkstenis, kas darbojas aptuveni 24 stundu ciklā. Taču, tā kā lielākā daļa ķīmisko reakciju paātrinās, paaugstinoties temperatūrai, līdz šim nav zināms, kā ķermenis kompensē temperatūras izmaiņas visa gada garumā — vai pat tad, kad mēs pārejam no vasaras karstuma ārā uz vēsumu gaisa kondicionētās telpās.

Bioloģiskais pulkstenis darbojas ar cikliskām mRNS — molekulu, kas kodē olbaltumvielu ražošanu, — līmeņu svārstībām, kas rodas, ritmiski ieslēdzoties un izslēdzoties noteiktiem gēniem. Tāpat kā svārsta kustību var aprakstīt ar matemātisku sinusoidālu vilni, kas vienmērīgi paceļas un krīt, mRNS ražošanas un sabrukšanas ritmu var attēlot ar svārstību vilni.

Kurosavas komanda RIKEN iTHEMS kopā ar kolēģiem YITP Kioto universitātē izmantoja teorētiskās fizikas metodes, lai analizētu matemātiskos modeļus, kas apraksta šīs mRNS ritmiskās svārstības. Jo īpaši viņi izmantoja renormalizācijas grupas metodi — spēcīgu fizikas rīku, kas ļauj no mRNS ritma sistēmas iegūt galvenos, lēni mainīgos dinamiskos procesus.

Analīze parādīja, ka, paaugstinoties temperatūrai, mRNS līmenis pieauga ātrāk un kritās lēnāk, bet viena cikla ilgums palika nemainīgs. Grafikā šis ritms augstās temperatūrās izskatījās kā izkropļots, asimetrisks vilnis.

Lai pārbaudītu teorētiskos secinājumus dzīvos organismos, pētnieki analizēja eksperimentālos datus par augļu mušiņām un pelēm. Patiešām, paaugstinātā temperatūrā šiem dzīvniekiem bija redzamas paredzētās viļņu formas deformācijas, kas apstiprināja teorētiskā modeļa pareizību.

Zinātnieki secina, ka viļņu formas kropļojumi ir galvenais temperatūras kompensācijas faktors bioloģiskajā pulkstenī, īpaši mRNS līmeņa samazināšanās palēnināšanai katrā ciklā.

Komanda arī atklāja, ka viļņu formas kropļojumi ietekmē bioloģiskā pulksteņa spēju sinhronizēties ar ārējiem signāliem, piemēram, gaismu un tumsu. Analīze parādīja, ka ar lielāku viļņu formas kropļojumu pulkstenis ir stabilāks un to mazāk ietekmē ārēji signāli.

Šis teorētiskais secinājums sakrita ar eksperimentāliem novērojumiem mušām un sēnēm, un tas ir svarīgs, jo neregulāri gaismas-tumsas cikli ir kļuvuši par mūsdienu dzīves sastāvdaļu lielākajai daļai cilvēku.

"Mūsu rezultāti liecina, ka viļņu formas kropļojumi ir kritisks elements tajā, kā bioloģiskais pulkstenis saglabā precizitāti un sinhronizāciju, pat mainoties temperatūrai," saka Kurosawa.

Viņš piebilst, ka turpmākajos pētījumos varētu koncentrēties uz molekulāro mehānismu identificēšanu, kas palēnina mRNS līmeņa pazemināšanos un izraisa viļņu formas kropļojumus. Pētnieki cer arī izpētīt, kā šie kropļojumi atšķiras starp sugām vai pat indivīdiem, jo vecums un individuālās atšķirības var ietekmēt bioloģiskā pulksteņa darbību.

“Ilgtermiņā,” norāda Kurosava, “viļņu formas kropļojuma pakāpe pulksteņa gēnos varētu kļūt par biomarķieri, lai labāk izprastu miega traucējumus, laika joslu maiņas izraisīto novecošanos un novecošanās ietekmi uz iekšējo pulksteni. Tas varētu arī atklāt universālus ritmu modeļus — ne tikai bioloģijā, bet jebkurā sistēmā ar atkārtotiem cikliem.”