Біологічний годинник підтримує 24-годинний цикл, змінюючи функціонування генів у теплих умовах.

Дослідники під керівництвом Гена Куросави з Центру міждисциплінарних теоретичних та математичних наук RIKEN (iTHEMS) у Японії використали теоретичну фізику, щоб з'ясувати, як наш біологічний годинник підтримує стабільний 24-годинний цикл навіть за зміни температури.

Вони виявили, що ця стабільність досягається завдяки ледь помітному зміщенню «форми» ритмів активності генів за вищих температур, процесу, відомому як спотворення форми хвилі. Цей процес не тільки допомагає точно відстежувати час, але й впливає на те, наскільки добре наші внутрішні годинники синхронізуються з циклом дня та ночі. Дослідження опубліковано в журналі PLOS Computational Biology.

Ви коли-небудь замислювалися, як ваш організм знає, коли спати чи прокидатися? Відповідь проста: ваш організм має біологічний годинник, який працює приблизно за 24-годинним циклом. Але оскільки більшість хімічних реакцій прискорюються з підвищенням температури, залишається загадкою, як організм компенсує зміни температури протягом року — або навіть коли ми перебуваємо між літньою спекою на вулиці та прохолодою в кондиціонованих приміщеннях.

Біологічний годинник працює за рахунок циклічних коливань рівнів мРНК — молекул, що кодують виробництво білка, — які виникають, коли певні гени ритмічно вмикаються та вимикаються. Так само, як рух маятника можна описати математичною синусоїдою, яка плавно піднімається та спадає, ритм виробництва та розпаду мРНК можна представити коливальною хвилею.

Команда Куросави з RIKEN iTHEMS разом з колегами з Кіотського університету YITP застосувала методи теоретичної фізики для аналізу математичних моделей, що описують ці ритмічні коливання мРНК. Зокрема, вони використовували метод ренормгрупи – потужний інструмент з фізики, який дозволяє витягувати ключові, повільно змінювані динамічні процеси з ритмічної системи мРНК.

Аналіз показав, що зі збільшенням температури рівні мРНК зростали швидше та падали повільніше, але тривалість одного циклу залишалася постійною. На графіку цей ритм за високих температур виглядав як спотворена асиметрична хвиля.

Щоб перевірити теоретичні висновки на живих організмах, дослідники проаналізували експериментальні дані на плодових мушках та мишах. Дійсно, за підвищених температур ці тварини демонстрували передбачені спотворення форми хвилі, що підтвердило правильність теоретичної моделі.

Вчені дійшли висновку, що спотворення форми хвилі є ключовим для температурної компенсації в біологічному годиннику, зокрема для уповільнення зниження рівня мРНК з кожним циклом.

Команда також виявила, що спотворення форми хвилі впливає на здатність біологічного годинника синхронізуватися із зовнішніми сигналами, такими як світло та темрява. Аналіз показав, що чим більше спотворення форми хвилі, тим стабільніший він і менше залежить від зовнішніх сигналів.

Цей теоретичний висновок збігся з експериментальними спостереженнями у мух та грибів і є важливим, оскільки нерегулярні цикли світла та темряви стали частиною сучасного життя для більшості людей.

«Наші результати показують, що спотворення форми хвилі є критичним елементом того, як біологічний годинник залишається точним і синхронізованим, навіть за зміни температури», — каже Куросава.

Він додає, що майбутні дослідження можуть зосередитися на визначенні молекулярних механізмів, які уповільнюють зниження рівня мРНК та викликають спотворення форми хвилі. Дослідники також сподіваються вивчити, як це спотворення змінюється між видами або навіть окремими особами, оскільки вік та індивідуальні відмінності можуть впливати на функціонування біологічного годинника.

«У довгостроковій перспективі, — зазначає Куросава, — ступінь спотворення форми хвилі в генах годинника може стати біомаркером для кращого розуміння розладів сну, зміни часових поясів та впливу старіння на внутрішній годинник. Це також може виявити універсальні закономірності ритмів — не лише в біології, а й у будь-якій системі з повторюваними циклами».