חוקרים בהובלת גנרל קורוסאווה במרכז ריקן למדעים תיאורטיים ומתמטיים בין-תחומיים (ITHEMS) ביפן השתמשו בפיזיקה תיאורטית כדי לגלות כיצד השעון הביולוגי שלנו שומר על מחזור עקבי של 24 שעות-אפילו ככל שהטמפרטורות משתנות. הם גילו כי יציבות זו מושגת באמצעות שינוי עדין ב"צורת "של מקצבי פעילות הגנים בטמפרטורות גבוהות יותר, תהליך המכונה עיוות צורת גל. תהליך זה לא רק עוזר לשמור על זמן יציב, אלא גם משפיע על כמה טוב השעון הפנימי שלנו מסנכרן עם מחזור הלילה. המחקר פורסם ב PLOS ביולוגיה חישובית ב- 22 ביולי.
האם תהית אי פעם איך הגוף שלך יודע מתי הגיע הזמן לישון או להתעורר? התשובה הפשוטה היא שלגופך יש שעון ביולוגי, הפועל במחזור של 24 שעות בערך. אך מכיוון שרוב התגובות הכימיות מזרזות ככל שהטמפרטורות עולות, כיצד גופנו מפצה על שינוי הטמפרטורות לאורך השנה או אפילו כשאנחנו עוברים קדימה ואחורה בין חום הקיץ החיצוני לחדרים מקורה אוויר ממוזגים-נותרו במידה רבה תעלומה.
השעון הביולוגי שלנו מופעל על ידי דפוסים מחזוריים של mRNA-המולקולות המקודדות לייצור חלבונים-הנובעות מגנים מסוימים מופעלים ולכבות בקצב. כשם שניתן לתאר את המתמטית כגל קדימה ואחורה של מטוטלת מתנדנדת לאורך זמן כגל סינוס, עולה בצורה חלקה ויורד שוב ושוב, כך גם הקצב של ייצור mRNA ויורד.
צוות המחקר של קורוסאווה בריקן איטמס ומשתף פעולה ב- YITP, אוניברסיטת קיוטו, משך את הפיזיקה התיאורטית כדי לנתח את המודלים המתמטיים המתארים את העלייה והנפילה הקצבית הזו של רמות mRNA. באופן ספציפי, הם השתמשו בשיטת קבוצת הרנורמליזציה, גישה עוצמתית המותאמת מפיזיקה, כדי לחלץ דינמיקה קריטית המשתנה איטי ממערכת מקצבי mRNA. הניתוח שלהם חשף כי בטמפרטורות גבוהות יותר רמות mRNA צריכות לעלות במהירות רבה יותר ולירד לאט יותר, אך חשוב מכך, משך המחזור האחד צריך להישאר קבוע. כאשר הם מתרשים, קצב טמפרטורה גבוהה זה נראה כמו צורת גל מוטה וא-סימטרי.
אך האם שינוי תיאורטי זה קורה בפועל? כדי לבחון תיאוריה זו באורגניזמים אמיתיים, החוקרים בדקו נתונים ניסויים מזבובי פרי ועכברים. בטח, בטמפרטורות גבוהות יותר, בעלי חיים אלה הראו את עיוותי צורת הגל החזוי, ומאשרים כי התחזיות התיאורטיות מתיישבות עם המציאות הביולוגית. החוקרים מסיקים כי עיוות צורת הגל הוא המפתח לפיצוי הטמפרטורה בשעון הביולוגי, ובמיוחד האטה של ירידה ברמת mRNA במהלך כל מחזור.
הצוות גם מצא כי עיוות צורת הגל משפיע על מידת הסנכרן של השעון הביולוגי עם רמזים סביבתיים, כמו אור וחושך. הניתוח ניבא שכאשר צורת הגל מתעוותת יותר, השעון הביולוגי יציב יותר, ורמזים סביבתיים משפיעים מעט עליה. חיזוי תיאורטי זה תואם תצפיות ניסיוניות בזבובים ופטריות והיא משמעותית מכיוון שמחזורים לא סדירים של אז הם חלק מחיי המודרניים עבור מרבית האנשים.
הממצאים שלנו מראים כי עיוות צורת הגל הוא חלק מכריע מאיך שעונים ביולוגיים נשארים מדויקים ומסונכרנים, גם כאשר הטמפרטורות משתנות. "
גנרל קורוסאווה, מרכז ריקן למדעים תיאורטיים ומתמטיים בינתחומיים
הוא מוסיף כי מחקר עתידי יכול להתמקד כעת בזיהוי המנגנונים המולקולריים המדויקים שמאטים את הירידה ברמות ה- mRNA, מה שמוביל לעיוות צורת הגל. מדענים מקווים גם לחקור כיצד עיוות זה משתנה בין מינים-או אפילו בין אנשים-גיל והבדלים אישיים עשויים להשפיע על אופן התנהגותו של השעונים הפנימיים.
"בטווח הארוך", מציין קורוסאווה, "מידת העיוות של צורת הגל בגנים שעון יכולה להיות סמן ביולוגי שעוזר לנו להבין טוב יותר את הפרעות השינה, ג'ט לג, והשפעות של הזדקנות על השעונים הפנימיים שלנו. זה עשוי גם לחשוף דפוסים אוניברסליים באופן שבו קצבים עובדים לא רק ביולוגיולוגיה, אלא במערכות רבות שמעורבות במחזורים מחזורים."
