Sinice wykorzystują zasadę podobną do radia AM do koordynowania podziału komórek z rytmami dobowymi, kodując informacje poprzez modulację amplitudy impulsów.
Odkryto, że cyjanobakterie, starożytna grupa bakterii fotosyntetyzujących, regulują swoje geny, korzystając z tej samej zasady fizyki, co w transmisji radiowej AM.
Nowe badania opublikowane w Aktualna biologia odkrył, że sinice wykorzystują zmiany amplitudy (siły) impulsu do przekazywania informacji w pojedynczych komórkach. Odkrycie rzuca światło na współpracę rytmów biologicznych w celu regulacji procesów komórkowych.
W radiu AM (modulacja amplitudy) fala o stałej sile i częstotliwości – zwana falą nośną – jest generowana w wyniku oscylacji prądu elektrycznego. Sygnał audio zawierający informacje (takie jak muzyka lub mowa) do przesłania jest nakładany na falę nośną. Odbywa się to poprzez zmianę amplitudy fali nośnej zgodnie z częstotliwością sygnału audio.
Zespół badawczy, kierowany przez profesora Jamesa Locke’a z Sainsbury Laboratory w Cambridge University (SLCU) i dr Bruno Martinsa z Uniwersytetu w Warwick odkryli, że podobny mechanizm przypominający radio AM działa w przypadku cyjanobakterii.
U cyjanobakterii cykl podziału komórki, czyli proces, podczas którego jedna komórka rośnie i dzieli się na dwie nowe, pełni rolę „sygnału nośnego”. Sygnał modulujący pochodzi następnie z 24-godzinnego zegara dobowego bakterii, który działa jako wewnętrzny mechanizm odmierzający czas.
Rozwiązywanie długotrwałej łamigłówki komórkowej
Odkrycie to odpowiada na od dawna zadawane pytanie w biologii komórki – w jaki sposób komórki integrują sygnały z dwóch procesów oscylacyjnych – cyklu komórkowego i rytmu dobowego – które działają na różnych częstotliwościach? Do tej pory nie było jasne, w jaki sposób można skoordynować te dwa cykle.
Aby rozwiązać zagadkę, zespół badawczy wykorzystał jednokomórkową mikroskopię poklatkową i modelowanie matematyczne. Za pomocą mikroskopii poklatkowej śledzili ekspresję białka, alternatywnego czynnika sigma RpoD4. RPoD4 odgrywa ważną rolę w inicjacji transkrypcji, czyli procesu, w wyniku którego powstaje informacja genetyczna DNA jest przepisywane na RNA. Modelowanie umożliwiło naukowcom zbadanie mechanizmów przetwarzania sygnałów, porównując wyniki modelowania z danymi mikroskopowymi. Zespół odkrył, że RpoD4 jest włączany w impulsach występujących tylko podczas podziału komórki, co czyni go idealnym kandydatem do śledzenia.
Główny autor, dr Chao Ye, wyjaśnił: „Odkryliśmy, że zegar dobowy decyduje o tym, jak silne będą te impulsy w czasie. Stosując tę strategię, komórki mogą kodować informacje o dwóch sygnałach oscylacyjnych na tym samym wyjściu: informacje o cyklu komórkowym w przypadku częstotliwości pulsowania i informacje o zegarze 24-godzinnym w zakresie siły pulsowania. Po raz pierwszy zaobserwowaliśmy zegar dobowy wykorzystujący modulację amplitudy impulsów – koncepcję zwykle kojarzoną z technologią komunikacyjną – do kontrolowania funkcji biologicznych”.
Implikacje ustaleń
„Zmienianie częstotliwości cyklu komórkowego pod wpływem światła otoczenia lub zegara dobowego w wyniku mutacji genetycznych potwierdziło podstawową zasadę. Uderzające jest widzieć w przyrodzie przykłady tego, co czasami uważamy za „nasze” zasady inżynieryjne” – powiedział współautor korespondujący, dr Martins. „Linia sinic wyewoluowała 2,7 miliarda lat temu i znalazła eleganckie rozwiązanie tego problemu z przetwarzaniem informacji”.
Profesor Locke dodał: „Jednym z powodów, dla których badamy sinice, jest to, że mają one najprostszy zegar dobowy ze wszystkich organizmów, więc zrozumienie go stanowi podstawę do zrozumienia zegarów w bardziej złożonych organizmach, takich jak ludzie i rośliny uprawne.
„Zasady te mogą mieć szersze implikacje w biologii syntetycznej i biotechnologii. Może to na przykład pomóc nam w uprawie roślin bardziej odpornych na zmieniające się warunki środowiskowe, co będzie miało konsekwencje dla rolnictwa i zrównoważonego rozwoju”.
Odniesienie: „Cyjanobakteryjny zegar dobowy łączy się z procesami pulsacyjnymi za pomocą modulacji amplitudy impulsów”, Chao Ye, Chris N. Micklem, Teresa Saez, Arijit K. Das, Bruno MC Martins i James CW Locke, 25 listopada 2024 r., Aktualna biologia.
DOI: 10.1016/j.cub.2024.10.047
Badanie to zostało sfinansowane przez BBSRC, ERC, Gatsby Charitable Foundation i Royal Society.
