Biologické hodiny udržiavajú 24-hodinový cyklus zmenou fungovania génov v teplých podmienkach.

Výskumníci pod vedením Gena Kurosawu z Centra RIKEN pre interdisciplinárne teoretické a matematické vedy (iTHEMS) v Japonsku využili teoretickú fyziku na objavenie toho, ako si naše biologické hodiny udržiavajú stabilný 24-hodinový cyklus, aj keď sa teplota mení.

Zistili, že táto stabilita sa dosahuje jemným posunom v „tvare“ rytmov génovej aktivity pri vyšších teplotách, čo je proces známy ako skreslenie priebehu. Tento proces nielen pomáha udržiavať presný čas, ale ovplyvňuje aj to, ako dobre sa naše vnútorné hodiny synchronizujú s denným a nočným cyklom. Štúdia je publikovaná v časopise PLOS Computational Biology.

Premýšľali ste niekedy nad tým, ako vaše telo vie, kedy má spať alebo sa zobudiť? Odpoveď je jednoduchá: Vaše telo má biologické hodiny, ktoré bežia približne na 24-hodinovom cykle. Ale pretože väčšina chemických reakcií sa s rastúcou teplotou zrýchľuje, je záhadou, ako telo kompenzuje zmeny teploty počas celého roka – alebo dokonca keď sa pohybujeme medzi letnými horúčavami vonku a chladom klimatizovaných miestností.

Biologické hodiny fungujú na základe cyklických výkyvov hladín mRNA – molekúl, ktoré kódujú produkciu bielkovín – ku ktorým dochádza, keď sa určité gény rytmicky zapínajú a vypínajú. Rovnako ako pohyb kyvadla možno opísať matematickou sínusovou vlnou, ktorá plynule stúpa a klesá, rytmus produkcie a rozpadu mRNA možno znázorniť oscilačnou vlnou.

Kurosawov tím z RIKEN iTHEMS spolu s kolegami z YITP Kyoto University aplikoval metódy z teoretickej fyziky na analýzu matematických modelov, ktoré opisujú tieto rytmické oscilácie mRNA. Použili najmä metódu renormalizačnej grupy, čo je výkonný nástroj z fyziky, ktorý umožňuje extrahovať kľúčové, pomaly sa meniace dynamické procesy z rytmického systému mRNA.

Analýza ukázala, že so zvyšujúcou sa teplotou hladiny mRNA rástli rýchlejšie a klesali pomalšie, ale trvanie jedného cyklu zostalo konštantné. Na grafe tento rytmus pri vysokých teplotách vyzeral ako skreslená, asymetrická vlna.

Aby výskumníci otestovali teoretické závery na živých organizmoch, analyzovali experimentálne údaje o ovocných muškách a myšiach. Pri zvýšených teplotách tieto zvieratá skutočne vykazovali predpokladané skreslenia priebehu, čo potvrdilo správnosť teoretického modelu.

Vedci dospeli k záveru, že skreslenie priebehu signálu je kľúčom k teplotnej kompenzácii v biologických hodinách, konkrétne k spomaleniu poklesu hladín mRNA s každým cyklom.

Tím tiež zistil, že skreslenie priebehu signálu ovplyvňuje schopnosť biologických hodín synchronizovať sa s vonkajšími signálmi, ako sú svetlo a tma. Analýza ukázala, že s väčším skreslením priebehu signálu sú hodiny stabilnejšie a menej ovplyvnené vonkajšími signálmi.

Tento teoretický záver sa zhodoval s experimentálnymi pozorovaniami u múch a húb a je dôležitý, pretože nepravidelné cykly svetla a tmy sa stali súčasťou moderného života väčšiny ľudí.

„Naše výsledky ukazujú, že skreslenie priebehu signálu je kľúčovým prvkom v tom, ako biologické hodiny zostávajú presné a synchronizované, a to aj pri zmenách teploty,“ hovorí Kurosawa.

Dodáva, že budúci výskum by sa mohol zamerať na identifikáciu molekulárnych mechanizmov, ktoré spomaľujú pokles hladín mRNA a spôsobujú skreslenie priebehu vĺn. Výskumníci tiež dúfajú, že budú študovať, ako sa toto skreslenie líši medzi druhmi alebo dokonca jednotlivcami, keďže vek a individuálne rozdiely môžu ovplyvniť fungovanie biologických hodín.

„Z dlhodobého hľadiska,“ poznamenáva Kurosawa, „by sa miera skreslenia priebehu vĺn v génoch hodín mohla stať biomarkerom pre lepšie pochopenie porúch spánku, pásmovej choroby a účinkov starnutia na vnútorné hodiny. Mohla by tiež odhaliť univerzálne vzorce rytmov – nielen v biológii, ale v akomkoľvek systéme s opakujúcimi sa cyklami.“