השעונים הצירקדיים שלנו ממלאים תפקיד מכריע בבריאות וברווחה שלנו, ושומרים על המחזורים הביולוגיים של 24 שעות שלנו מסונכרנים עם חשיפה לאור וחושך. שיבושים במקצבים של השעונים הללו, כמו עם ג'ט לג ושעון קיץ, עלולים להוציא את התפקוד היומיומי שלנו מהסנכרון.
מדענים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו מתקרבים כעת להבנה כיצד פועלים השעונים הללו בבסיסם.
ביומן טבע ביולוגיה מבנית ומולקולריתחוקרים המבוססים במחלקה לביולוגיה מולקולרית (בית הספר למדעי הביולוגיה) של אוניברסיטת קליפורניה ובמרכז לביולוגיה צירקדית, יחד עם עמיתים לאומיים ובינלאומיים מאוניברסיטת ניוקאסל (בריטניה), פתרו כיצד השעונים הצירקדיים בתוך חיידקים מיקרוסקופיים מסוגלים לשלוט במדויק מתי גנים שונים מופעלים ומכבים במהלך המחזור.
החוקרים גילו את תגליתם בציאנובקטריה, אורגניזמים מימיים זעירים המוכרים גם כאצות כחולות-ירקות. הם חשפו את הקשרים בין מרכיבי הליבה של שעון 24 שעות של ציאנובקטריה המכוונים את הביטוי הקצבי של גנים.
"הצלחנו להראות כיצד אות בודד מהשעון יכול להפעיל קבוצה אחת של גנים ואחר להפעיל שלבים מנוגדים של ביטוי גנים. בתא זה, זה אומר שתהליכים תאיים מסוימים מגיעים לשיא בשעת בין ערביים ואחרים עם עלות השחר", אמרה פרופסור הנכבדת למדעי הביולוגיה סוזן גולדן, המחברת הבכירה של המחקר.
בשנים האחרונות הפכו שעוני יממה למושא עניין מוגבר בשל תפקידם המרכזי בבריאות וברפואה. תרופות וחיסונים יעילים יותר כאשר הם נלקחים בשעות מסוימות של היום כדי להתאים את השעונים הצירקדיים שלנו. UC San Diego כינתה לאחרונה את אמיר Zarrinpar, פרופסור לרפואה, כמחזיקה הראשון של הקתדרה לביולוגיה ורפואה צירקדית של סטיוארט וברברה ל.
במחקר החדש, החוקרים זיהו את האלמנטים המינימליים הדרושים לשליטה בשעתוק הגנים הצירקדיים, השלב הראשון של ביטוי גנים, בציאנובקטריה.
"עכשיו אנחנו יודעים את הרכיבים שאנחנו צריכים כדי לבנות מחדש את השעון הזה כדי ליצור שעתוק גנים צירקדי", אמר מחבר המחקר הראשון Mingxu Fang, פוסט-דוקטורט לשעבר באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, המבוסס כעת באוניברסיטת אוהיו סטייט. "באופן כללי, מערכות יממה מורכבות מאוד, אבל עם המערכת הציאנובקטריאלית הפשוטה הזו אנחנו צריכים רק שישה חלבונים ויש לנו שעון".
מחבר שותף קווין קורבט, פרופסור במחלקות לביולוגיה מולקולרית ולרפואה תאית ומולקולרית, אמר כי גילוי השעון הציאנובקטריאלי של צוות המחקר בולט מכיוון שהוא נבדל מהשעונים המצויים בבני אדם ואורגניזמים אחרים הידועים כאוקריוטים.
"זו מערכת שהתפתחה באופן עצמאי לחלוטין", אמר קורבט, מומחה למנגנונים מבניים ומולקולריים. קורבט הוביל את השימוש במחקר במכשור מתקדם המכונה מיקרוסקופיה קריו-אלקטרונים, אשר התגלה בשנים האחרונות כאחת השיטות החזקות בעולם להבנת תכונות החיים הבסיסיות. חלק זה של המחקר נלכד ב-UC San Diego החדש של Goeddel Family Technology Sandbox, מרכז הכולל חבילה של מכשירים חדישים.
עם מנגנוני ההפעלה של שעון הליבה ביד, החוקרים הצליחו לבנות שעון שמזמן את התמלול באמצעות רכיבים מטוהרים. הם פיתחו מערכת ביטוי גנים סינתטית שעשויה להיות ניידת לחיידקים אחרים, כמו סוס העבודה של הביוטכנולוגיה, Escherichia coli (ה. coli)והראה שהוא יכול להפעיל גן בדיקה באופן קצבי עם שלב ביטוי צפוי. "אלה הם כלים ביולוגיים מעשיים שניתן להרחיב אותם כדי לשלוט בסינתזה של מוצרים ביולוגיים רצויים בציאנובקטריה או בסוגים אחרים של חיידקים המשמשים בביוטכנולוגיה", אמר גולדן.
יוליה יוזנקובה, מרצה בכירה, אוניברסיטת ניוקאסל אמרה: "ההיבט המדהים ביותר הוא שניתן לתזמר את המורכבות והשונות העצומה של פעילות הגנים הסלולריים לתבנית קצבית יפה על ידי מנגנון שעון פשוט כל כך. מחקר זה מקדם את ההבנה שלנו של מקצבים ביולוגיים ותומך ביישומים החל מביוטכנולוגיה בבריאות חיידקית אנושית".
