Часовой механизм с нуля: как ученые создали клетки для измерения времени
Ученые из Калифорнийского университета в Мерседе доказали способность миниатюрных искусственных клеток эффективно измерять время, копируя циркадные ритмы живых существ. Это открытие помогает разобраться, каким образом биологические часы остаются стабильными, несмотря на внутренние молекулярные колебания, пишет ScienceDaily.
Биологические часы контролируют ежедневные 24-часовые циклы сна, метаболизма и других важных функций организма. Для анализа механизма циркадных ритмов цианобактерий биохимики воссоздали систему внутри упрощенной модели клетки — липидных пузырьков-везикул, содержащих ключевые регуляторные белки. Один из них имел флуоресцентную метку. Эти искусственно созданные клетки демонстрировали устойчивое периодическое свечение каждые 24 часа на протяжении четырех суток подряд. Тем не менее уменьшение числа белков-хронографов или сокращение объема самих везикул приводило к потере ритмичности излучения. Нарушение цикла происходило закономерно.
Для объяснения результатов команда разработала компьютерную модель, показавшую, что повышение концентрации часовых белков увеличивает стабильность биоритмов, позволяя множеству отдельных везикул стабильно функционировать независимо друг от друга даже при незначительных колебаниях содержания белка между ними. Кроме того, моделирование подтвердило важность другого компонента естественных циркадных систем — регуляции активности генов. Оказалось, что эта система не обязательна для функционирования индивидуальных биочасов, но необходима для согласования всех часов в пределах одной группы клеток.
Ученые обратили внимание еще на одну особенность: отдельные белки-хронографы склонны накапливаться на мембране везикул, что требует значительных общих запасов белка для правильного функционирования всей системы. По словам руководителя проекта Ананда Балы Субраманиама, исследование демонстрирует возможность изучать базовые принципы организации биологической временной шкалы путем построения упрощенных синтетических моделей.
По словам экспертов, реакции циркадных часов цианобактерий представляют собой медленные биохимические процессы, подверженные случайным «шумовым» отклонениям. Ранее предполагалось, что именно большие запасы часовых белков позволяют уменьшить влияние этих колебаний. Новое исследование предлагает способ визуализации воспроизведенных реакций биочасов в различных по размеру везикулах, имитирующих реальные клеточные структуры. Полученный инструмент дает уникальную возможность наблюдать, как различные формы жизни используют собственные методы компенсации внутриклеточного шума, расширяя наши знания о биологическом хронометрировании.
Тем временем российские ученые раскрыли потенциал молок рыб для биотехнологий.
