Biološka ura vzdržuje 24-urni cikel s spreminjanjem delovanja genov v toplih pogojih.

Raziskovalci pod vodstvom Gena Kurosawe v Centru RIKEN za interdisciplinarne teoretične in matematične znanosti (iTHEMS) na Japonskem so s pomočjo teoretične fizike odkrili, kako naša biološka ura vzdržuje stabilen 24-urni cikel, tudi ko se temperatura spremeni.

Ugotovili so, da se ta stabilnost doseže s subtilnim premikom v "obliki" ritmov genske aktivnosti pri višjih temperaturah, procesom, znanim kot popačenje valovne oblike. Ta proces ne pomaga le pri ohranjanju natančnega časa, temveč vpliva tudi na to, kako dobro se naše notranje ure sinhronizirajo s ciklom dneva in noči. Študija je objavljena v reviji PLOS Computational Biology.

Ste se kdaj vprašali, kako vaše telo ve, kdaj spati ali se zbuditi? Odgovor je preprost: vaše telo ima biološko uro, ki deluje v približno 24-urnem ciklu. Ker pa se večina kemičnih reakcij pospeši z naraščanjem temperature, je bila skrivnost, kako telo kompenzira temperaturne spremembe skozi vse leto – ali celo, ko se gibljemo med poletno vročino zunaj in hladom klimatiziranih prostorov.

Biološka ura deluje na podlagi cikličnih nihanj v ravneh mRNA – molekul, ki kodirajo proizvodnjo beljakovin –, ki se pojavijo, ko se določeni geni ritmično vklapljajo in izklapljajo. Tako kot lahko gibanje nihala opišemo z matematičnim sinusnim valom, ki gladko narašča in pada, lahko ritem proizvodnje in razpada mRNA predstavimo z oscilacijskim valom.

Kurosawina ekipa na RIKEN iTHEMS je skupaj s kolegi na Univerzi YITP v Kjotu uporabila metode iz teoretične fizike za analizo matematičnih modelov, ki opisujejo te ritmične oscilacije mRNA. Zlasti so uporabili metodo renormalizacijske skupine, močno orodje iz fizike, ki omogoča izločanje ključnih, počasi spreminjajočih se dinamičnih procesov iz ritmičnega sistema mRNA.

Analiza je pokazala, da so se z naraščanjem temperature ravni mRNA hitreje zviševale in počasneje zniževale, vendar je trajanje enega cikla ostalo konstantno. Na grafu je ta ritem pri visokih temperaturah videti kot popačen, asimetričen val.

Da bi teoretične zaključke preizkusili na živih organizmih, so raziskovalci analizirali eksperimentalne podatke o sadnih mušicah in miših. Dejansko so te živali pri povišanih temperaturah pokazale predvidena popačenja valovnih oblik, kar je potrdilo pravilnost teoretičnega modela.

Znanstveniki sklepajo, da je popačenje valovne oblike ključnega pomena za temperaturno kompenzacijo v biološki uri, zlasti za upočasnitev upadanja ravni mRNA z vsakim ciklom.

Ekipa je tudi ugotovila, da popačenje valovne oblike vpliva na sposobnost telesne ure, da se sinhronizira z zunanjimi signali, kot sta svetloba in tema. Analiza je pokazala, da je ura z večjim popačenjem valovne oblike stabilnejša in nanjo manj vplivajo zunanji signali.

Ta teoretični sklep je sovpadal z eksperimentalnimi opazovanji pri muhah in glivah ter je pomemben, ker so nepravilni cikli svetlobe in teme postali del sodobnega življenja večine ljudi.

"Naši rezultati kažejo, da je popačenje valovne oblike ključni element pri tem, kako biološka ura ostaja natančna in sinhronizirana, tudi ko se temperatura spreminja," pravi Kurosawa.

Dodaja, da bi se lahko prihodnje raziskave osredotočile na prepoznavanje molekularnih mehanizmov, ki upočasnjujejo upad ravni mRNA in povzročajo popačenje valovne oblike. Raziskovalci upajo tudi, da bodo preučili, kako se to popačenje razlikuje med vrstami ali celo posamezniki, saj lahko starost in individualne razlike vplivajo na delovanje biološke ure.

»Dolgoročno,« ugotavlja Kurosawa, »bi lahko stopnja popačenja valovnih oblik v genih, ki določajo notranjo uro, postala biomarker za boljše razumevanje motenj spanja, časovne razlike in učinkov staranja na notranjo uro. Lahko bi razkrila tudi univerzalne vzorce ritmov – ne le v biologiji, ampak v katerem koli sistemu s ponavljajočimi se cikli.«