צוות של חוקרי מרסד UC הראה כי תאים מלאכותיים זעירים יכולים במדויק לשמור על זמן, ולחקות את המקצבים היומיים שנמצאים באורגניזמים חיים. הממצאים שלהם שופכים אור על האופן בו שעונים ביולוגיים נשארים על לוח הזמנים למרות הרעש המולקולרי המובנה בתאים.
המחקר, שפורסם לאחרונה ב תקשורת טבעהובל על ידי פרופסור להנדסה ביולוגית אנאנד באלה סובראמניאם ופרופסור כימיה וביוכימיה אנדי ליוואנג. הסופר הראשון, אלכסנדר ג'אנג טו לי, זכה לתואר שלישי. במעבדה של סובראמניאם.
שעונים ביולוגיים – הידועים גם בשם מקצבים צבאיים – שולטים במחזורים 24 שעות ביממה המווסתים שינה, חילוף חומרים ותהליכים חיוניים אחרים. כדי לחקור את המנגנונים שמאחורי המקצבים הצירדיים של ציאנובקטריה, החוקרים שיחזרו את עבודת השעון במבנים מפושטים, דמויי תאים הנקראים שלפוחית. שלפוחיות אלה היו עמוסות בחלבוני שעון ליבה, שאחד מהם תויג בסמן פלורסנט.
התאים המלאכותיים זוהרו בקצב רגיל של 24 שעות במשך ארבעה ימים לפחות. עם זאת, כאשר מספר חלבוני השעון הופחת או שלפוחית היו קטנים יותר, הזוהר הקצבי נעצר. אובדן הקצב עקב אחר דפוס לשחזור.
כדי להסביר ממצאים אלה, הצוות בנה מודל חישובי. הדגם חשף כי שעונים הופכים להיות חזקים יותר עם ריכוזים גבוהים יותר של חלבוני שעון, ומאפשרים לאלפי שלפוחית לשמור על זמן אמין – גם כאשר כמויות החלבון משתנות מעט בין שלפוחיות.
המודל גם הציע מרכיב נוסף במערכת הצירדית הטבעית – האחראית להפעלת גנים לסירוגין – אינו ממלא תפקיד מרכזי בשמירה על שעונים בודדים אלא חיוני לסנכרון תזמון השעון בין אוכלוסייה.
החוקרים גם ציינו כי חלק מחלבוני השעון נוטים לדבוק בקירות שלפוחית, כלומר, יש צורך בספירת חלבונים גבוהה גבוהה כדי לשמור על תפקוד תקין.
מחקר זה מראה כי אנו יכולים לנתח ולהבין את עקרונות הליבה של שמירת זמן ביולוגית באמצעות מערכות סינתטיות מפושטות. "
פרופסור אנאנד באלה סובראמניאם, UC Merse
העבודות בהובלת סובראמניאם וליוונג מקדמת את המתודולוגיה ללימוד שעונים ביולוגיים, אמר מינגסו פאנג, פרופסור למיקרוביולוגיה באוניברסיטת אוהיו ומומחה לשעונים צירוקיים.
פאנג אמר כי "השעון הצירדי הצירדיאני מסתמך על תגובות ביוכימיות איטיות המובילות מטבען, והוצע כי יש צורך במספרי חלבון גבוה בשעון כדי לחצץ את הרעש הזה", אמר פאנג. "מחקר חדש זה מציג שיטה לצפייה בתגובות שעון משוחזרות בתוך שלפוחיות הניתנות להתאמה בגודל המחקות מידות סלולריות. כלי רב עוצמה זה מאפשר בדיקה ישירה כיצד ומדוע אורגניזמים בגדלי תאים שונים עשוי לאמץ אסטרטגיות תזמון מובחנות, ובכך להעמיק את הבנתנו את מנגנוני הזמן הביולוגי של צורות החיים."
Subramaniam הוא חבר סגל במחלקה להנדסה ביולוגית וסניף של המכון לחקר מדעי הבריאות (HSRI). ליוואנג הוא חבר סגל במחלקה לכימיה וביוכימיה, גם הוא מזוהה עם HSRI. הוא עמיתו של האקדמיה האמריקאית למיקרוביולוגיה ומקבל 2025 בפרס דורותי קרופוט הודג'קין מטעם אגודת החלבונים.
העבודות נתמכה בפרס הקריירה הלאומית לקריירה של קרן המדע הלאומית של סובראמניאם מטעם מחקרי חומרים ועל ידי מענקים מהמכון הלאומי לבריאות ולחקר המחקר שהוענק לליוואנג. ליוואנג נתמך על ידי מלגה ממרכז קרסט NSF למכונות סלולריות וביומולקולריות ב- UC Merced.
