Biologinis laikrodis palaiko 24 valandų ciklą, keisdamas genų veikimą šiltomis sąlygomis.

Japonijos RIKEN tarpdisciplininių teorinių ir matematikos mokslų centro (iTHEMS) tyrėjai, vadovaujami Geno Kurosavos, pasitelkė teorinę fiziką, kad išsiaiškintų, kaip mūsų biologinis laikrodis palaiko stabilų 24 valandų ciklą net ir kintant temperatūrai.

Jie nustatė, kad šis stabilumas pasiekiamas dėl subtilaus genų aktyvumo ritmų „formos“ pokyčio esant aukštesnei temperatūrai – proceso, vadinamo bangos formos iškraipymu. Šis procesas ne tik padeda išlaikyti tikslų laiką, bet ir turi įtakos tam, kaip gerai mūsų vidiniai laikrodžiai sinchronizuojasi su dienos ir nakties ciklu. Tyrimas paskelbtas žurnale „PLOS Computational Biology“.

Ar kada susimąstėte, kaip jūsų kūnas žino, kada miegoti ar keltis? Atsakymas paprastas: jūsų kūnas turi biologinį laikrodį, kuris veikia maždaug 24 valandų ciklu. Tačiau kadangi dauguma cheminių reakcijų greitėja kylant temperatūrai, iki šiol buvo paslaptis, kaip kūnas kompensuoja temperatūros pokyčius ištisus metus – ar net kai pereiname nuo vasaros karščio lauke prie vėsaus oro kondicionieriais vėsinamų kambarių.

Biologinis laikrodis veikia cikliškais mRNR – molekulių, koduojančių baltymų gamybą – lygių svyravimais, kurie atsiranda, kai tam tikri genai ritmiškai įjungiami ir išjungiami. Kaip švytuoklės judėjimą galima apibūdinti matematine sinusine banga, kuri sklandžiai kyla ir leidžiasi, taip mRNR gamybos ir skilimo ritmą galima pavaizduoti osciliacine banga.

Kurosavos komanda RIKEN iTHEMS kartu su kolegomis iš YITP Kioto universiteto pritaikė teorinės fizikos metodus, kad išanalizuotų matematinius modelius, apibūdinančius šiuos ritminius mRNR virpesius. Jie konkrečiai panaudojo renormalizacijos grupės metodą – galingą fizikos įrankį, leidžiantį iš mRNR ritmo sistemos išskirti pagrindinius, lėtai kintančius dinaminius procesus.

Analizė parodė, kad kylant temperatūrai, mRNR lygiai kilo greičiau ir krito lėčiau, tačiau vieno ciklo trukmė išliko pastovi. Grafike šis ritmas aukštoje temperatūroje atrodė kaip iškreipta, asimetrinė banga.

Norėdami patikrinti teorines išvadas gyvuose organizmuose, tyrėjai analizavo eksperimentinius duomenis apie vaisines museles ir peles. Iš tiesų, esant aukštesnei temperatūrai, šie gyvūnai parodė numatytus bangos formos iškraipymus, kurie patvirtino teorinio modelio teisingumą.

Mokslininkai daro išvadą, kad bangos formos iškraipymas yra pagrindinis biologinio laikrodžio temperatūros kompensavimo veiksnys, ypač mRNR lygio mažėjimo sulėtėjimas kiekvieno ciklo metu.

Komanda taip pat nustatė, kad bangos formos iškraipymas veikia biologinio laikrodžio gebėjimą sinchronizuotis su išoriniais signalais, tokiais kaip šviesa ir tamsa. Analizė parodė, kad esant didesniam bangos formos iškraipymui, laikrodis yra stabilesnis ir mažiau veikiamas išorinių signalų.

Ši teorinė išvada sutapo su eksperimentiniais stebėjimais su musėmis ir grybais ir yra svarbi, nes nereguliarūs šviesos ir tamsos ciklai tapo daugelio žmonių šiuolaikinio gyvenimo dalimi.

„Mūsų rezultatai rodo, kad bangos formos iškraipymas yra labai svarbus elementas, lemiantis, kaip biologinis laikrodis išlieka tikslus ir sinchronizuotas, net ir keičiantis temperatūrai“, – sako Kurosawa.

Jis priduria, kad būsimi tyrimai galėtų būti sutelkti į molekulinių mechanizmų, kurie sulėtina mRNR lygio mažėjimą ir sukelia bangos formos iškraipymą, nustatymą. Tyrėjai taip pat tikisi ištirti, kaip šis iškraipymas skiriasi tarp rūšių ar net individų, nes amžius ir individualūs skirtumai gali turėti įtakos biologinio laikrodžio veikimui.

„Ilgalaikėje perspektyvoje, – pažymi Kurosawa, – bangos formos iškraipymo laipsnis laikrodžio genuose galėtų tapti biomarkeriu, padedančiu geriau suprasti miego sutrikimus, laiko juostų skirtumo sukeltą stresą ir senėjimo poveikį vidiniam laikrodžiui. Tai taip pat galėtų atskleisti universalius ritmų modelius – ne tik biologijoje, bet ir bet kurioje sistemoje su pasikartojančiais ciklais.“