חוקרים מאוניברסיטת המכון למדעי מולקולריים (IMS)/סוקנדאי ואוניברסיטת קיושו חשפו את המנגנון המולקולרי המניע את "התקתק" של השעון הצירדי בסיאנובקטריה. המחקר שלהם מגלה כיצד חלבון שעון הנקרא KAIC שולט בתגובות כימיות עם דיוק מדהים, פועל כמו יד של שעון שמחכה, ואז נע ברגע הנכון. הממצאים פורסמו ב PNAS Nexus ב- 28 באפריל 2025.
כדי להסתגל לסיבוב היומי של כדור הארץ, מרבית האורגניזמים החיים, מחיידקים פשוטים, חד תאים ועד יונקים מורכבים ורב-תאיים, פיתחו מערכות שמזיזות זמן פנימיות המכונות שעונים צבאיים. בין כל המינים הידועים, רק ציאנובקטריה מחזיקה במערכת שעון צירקדית שמדענים הצליחו להתרבות במלואם במבחנה. מערכת זו כוללת שלושה חלבונים, קיה, קאיב וקייק. כאשר מעורבבים במבחן, KAIC עוברת מחזור של זרחן ודפוספורילציה, התקשרות קצבית וניתוק של קבוצות פוספט החוזרות על כל 24 שעות, ממש כמו שעון (איור 1 א). למרות עשרות שנות לימודים, נותר תעלומת מפתח. איך בדיוק הפוספט מתחבר לקאיק? במילים אחרות, מה מניע את תנועת היד של השעון?
כדי לענות על שאלה זו, צוות המחקר, בראשותו של עוזר פרופסור יושיהיקו פורוייק ופרופ 'שוג'י אקייאמה מ- IMS/ Sokendai, ופרופסור חבר טושיפומי מורי מאוניברסיטת קיושו, התמקד בקאיק בבידוד, בלי קאיה וקאיב. מערכת מפושטת זו אפשרה התבוננות ישירה בתהליך הזרחן. בניגוד להנחות קודמות, הם גילו שאפילו לבד, KAIC יכולה לאט לאט לאט את הפוספט, מה שמצביע על כך שה"תקתק "הבסיסי של השעון שוכן בתוך KAIC עצמו (איור 1 ב).
בעזרת הנתונים המבניים של KAIC שהתקבלו ברזולוציה כמעט אטומית, הצוות הדמה את התגובה הכימית של זרחן באמצעות דינמיקה מולקולרית והדמיות כימיות קוונטיות. שיטה זו אפשרה להם להתבונן כיצד קבוצת פוספט מתקרבת בהדרגה ונקשרת ל- KAIC (איור 1 ג).
הצוות מצא כי משמרות עדינות בסידור חומצות אמינו מסוימות, במיוחד שאריות גלוטמט וארגנין, משמשות כטריגרים מולקולריים. שאריות אלה שולטות ביעילות אם קבוצת הפוספטים יכולה להיקשר, ובכך להשהות או להתיר את התגובה כמו שער מתוזמן. במילים אחרות, קאיק מחזיק ביד השעון יציב עד לרגע המדויק שהוא אמור לתקתק.
המנגנון שהתגלה במחקר זה אינו מוגבל לציאנובקטריה. אורגניזמים רבים, כולל בני אדם, מסתמכים על זרחן כדי להסדיר את השעונים הפנימיים שלהם. מחקר זה מספק אפוא תובנות מהותיות לגבי ההיגיון האוניברסלי של שמירת זמן ביולוגית.
יתר על כן, מכיוון שזרחן קשור למחלות שונות, הבנה כיצד חלבונים שולטים בתזמון של תגובות כימיות עשויה להיות בעלות יישומים מרחיקי לכת בתכנון ביו-רפואי ותרופות. בעוד שמחקר זה התמקד בתהליך הזרחן, ה- Dephosphorylation נותר פחות מובן היטב ומהווה נושא מרכזי לחקירה עתידית.
