Bioloogiline kell hoiab 24-tunnist tsüklit, muutes geenide toimimist soojades tingimustes.

Jaapani RIKENi interdistsiplinaarsete teoreetiliste ja matemaatiliste teaduste keskuse (iTHEMS) teadlased, keda juhtis Gen Kurosawa, on kasutanud teoreetilist füüsikat, et avastada, kuidas meie bioloogiline kell säilitab stabiilse 24-tunnise tsükli isegi siis, kui temperatuur muutub.

Nad leidsid, et see stabiilsus saavutatakse geenide aktiivsuse rütmide „kuju” peene nihkega kõrgematel temperatuuridel – protsessi, mida nimetatakse lainekuju moonutuseks. See protsess mitte ainult ei aita täpset aega hoida, vaid mõjutab ka seda, kui hästi meie sisemised kellad päeva-öö tsükliga sünkroonis on. Uuring avaldati ajakirjas PLOS Computational Biology.

Kas olete kunagi mõelnud, kuidas teie keha teab, millal magada või ärgata? Vastus on lihtne: teie kehal on bioloogiline kell, mis töötab umbes 24-tunnise tsükli alusel. Kuna aga enamik keemilisi reaktsioone kiireneb temperatuuri tõustes, on olnud mõistatus, kuidas keha kompenseerib temperatuurimuutusi aastaringselt – või isegi siis, kui liigume suvesoojuse ja konditsioneeritud ruumide jaheduse vahel.

Bioloogiline kell töötab mRNA – valgu tootmist kodeerivate molekulide – taseme tsükliliste kõikumiste abil, mis tekivad teatud geenide rütmilisel sisse- ja väljalülitamisel. Nii nagu pendli liikumist saab kirjeldada matemaatilise siinuslainega, mis tõuseb ja langeb sujuvalt, saab mRNA tootmise ja lagunemise rütmi kujutada võnkuva laine abil.

Kurosawa meeskond RIKEN iTHEMS-is koos YITP Kyoto ülikooli kolleegidega rakendas teoreetilise füüsika meetodeid, et analüüsida mRNA rütmilisi võnkumisi kirjeldavaid matemaatilisi mudeleid. Eelkõige kasutasid nad renormaliseerimisrühma meetodit, mis on võimas füüsika tööriist, mis võimaldab mRNA rütmisüsteemist eraldada võtmetähtsusega aeglaselt muutuvaid dünaamilisi protsesse.

Analüüs näitas, et temperatuuri tõustes tõusid mRNA tasemed kiiremini ja langesid aeglasemalt, kuid ühe tsükli kestus jäi konstantseks. Graafikul nägi see rütm kõrgetel temperatuuridel välja nagu moonutatud asümmeetriline laine.

Teoreetiliste järelduste testimiseks elusorganismides analüüsisid teadlased eksperimentaalseid andmeid puuviljakärbeste ja hiirte peal. Tõepoolest, kõrgematel temperatuuridel näitasid need loomad ennustatud lainekuju moonutusi, mis kinnitasid teoreetilise mudeli õigsust.

Teadlased järeldavad, et lainekuju moonutamine on bioloogilise kella temperatuuri kompenseerimise võtmeks, täpsemalt mRNA taseme languse aeglustamiseks iga tsükliga.

Meeskond leidis ka, et lainekuju moonutus mõjutab bioloogilise kella võimet sünkroniseeruda väliste signaalidega, näiteks valguse ja pimedusega. Analüüs näitas, et suurema lainekuju moonutuse korral on kell stabiilsem ja seda mõjutavad välised signaalid vähem.

See teoreetiline järeldus langes kokku kärbeste ja seentega tehtud eksperimentaalsete vaatlustega ning on oluline, sest ebaregulaarsed valguse-pimeduse tsüklid on enamiku inimeste jaoks saanud tänapäeva elu osaks.

"Meie tulemused näitavad, et lainekuju moonutamine on kriitilise tähtsusega element selles, kuidas bioloogiline kell jääb täpseks ja sünkroniseerituks isegi temperatuuri muutudes," ütleb Kurosawa.

Ta lisab, et tulevased uuringud võiksid keskenduda molekulaarsete mehhanismide tuvastamisele, mis aeglustavad mRNA taseme langust ja põhjustavad lainekuju moonutusi. Samuti loodavad teadlased uurida, kuidas see moonutus liikide või isegi indiviidide lõikes varieerub, kuna vanus ja individuaalsed erinevused võivad mõjutada bioloogilise kella toimimist.

„Pikas perspektiivis,“ märgib Kurosawa, „võib kellageenide lainekuju moonutuse aste saada biomarkeriks unehäirete, ajavööndivahetuse ja vananemise mõju paremaks mõistmiseks sisemisele kellale. See võib paljastada ka universaalseid rütmimustreid – mitte ainult bioloogias, vaid igas korduvate tsüklitega süsteemis.“