Крошечные искусственные клетки способны точно отслеживать время, воспроизводя суточные ритмы живых организмов. Открытие исследователей проливает свет на то, как биологические часы сохраняют свою точность, несмотря на молекулярные колебания внутри клеток.
Исследователи из Калифорнийского университета в Мерседе подтвердили способность миниатюрных искусственных клеток успешно измерять время, имитируя циркадные ритмы живых существ. Это открытие помогает понять, как биологические часы остаются стабильными, несмотря на внутренние молекулярные флуктуации.
Биологические часы регулируют ежедневные 24-часовые циклы сна, обмена веществ и других важных функций организма. Для изучения механизма циркадных ритмов цианобактерий биохимики воссоздали систему внутри упрощенной модели клетки — липидных пузырьков-везикул, что содержали ключевые регуляторные белки. Один из них имел флуоресцентную метку. Эти искусственно созданные клетки показывали стабильное периодическое свечение каждые 24 часа на протяжении четырех суток подряд. Однако уменьшение количества белков-хронографов или сокращение объема самих везикул приводило к утрате ритмичности излучения. Нарушение цикла происходило закономерно.
Чтобы объяснить результаты, команда разработала компьютерную модель, которая показала, что увеличение концентрации часовых белков повышает стабильность биоритмов, позволяя множеству отдельных везикул функционировать независимо друг от друга даже при незначительных колебаниях содержания белка между ними. Кроме того, моделирование подтвердило значимость 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 одной группе клеток.
Исследователи отметили еще одну интересную особенность: отдельные белки-хронографы имеют тенденцию накапливаться на мембране везикул, что требует значительных общих запасов белка для правильного функционирования системы. По словам руководителя проекта Ананда Балы Субраманиама, это исследование демонстрирует возможность изучения основных принципов организации биологической временной шкалы путем создания упрощенных синтетических моделей.
По мнению экспертов, реакции циркадных часов цианобактерий представляют собой медленные биохимические процессы, подверженные случайным «шумовым» отклонениям. Ранее считалось, что именно большие запасы часовых белков позволяют уменьшить влияние этих колебаний. Новое исследование предлагает метод визуализации воспроизведенных реакций биочасов в везикулах различного размера, имитирующих реальные клеточные структуры. Полученный инструмент предоставляет уникальную возможность наблюдать, как различные формы жизни используют свои собственные методы компенсации внутриклеточного шума, расширяя наши знания о биологическом хронометрировании.
Тем временем российские ученые раскрыли потенциал молок рыб для биотехнологий.
Фото: hi-tech.mail.ru