Циркадные часы цианобактерий используют механизм, подобный AM-радио, для контроля клеточных процессов

Новое исследование, опубликованное в Current Biology, показало, что цианобактерии — древние фотосинтезирующие бактерии — регулируют свои гены, используя тот же физический принцип, что и в AM-радиопередаче.

Учёные обнаружили, что цианобактерии используют вариации амплитуды (силы) импульса для передачи информации в отдельных клетках. Это проливает свет на то, как биологические ритмы взаимодействуют для регуляции клеточных процессов.

В AM (амплитудной модуляции) радио волна постоянной силы и частоты — несущая волна — модулируется аудиосигналом, который содержит передаваемую информацию (например, музыку или речь). Амплитуда несущей волны изменяется в соответствии с частотой аудиосигнала.

Исследовательская группа под руководством профессора Джеймса Локка из Sainsbury Laboratory Cambridge University (SLCU) и доктора Бруно Мартинса из Уорикского университета обнаружила, что аналогичный механизм работает у цианобактерий.

У цианобактерий цикл деления клетки (процесс роста и деления одной клетки на две) действует как «несущий сигнал». Модулирующий сигнал исходит от 24-часовых циркадных часов бактерий, которые служат внутренним механизмом отсчёта времени.

Это открытие отвечает на давний вопрос клеточной биологии: как клетки интегрируют сигналы от двух осциллирующих процессов — клеточного цикла и циркадного ритма, — которые работают на разных частотах? До сих пор было неясно, как эти два цикла могут координироваться.

Чтобы решить эту загадку, команда использовала микроскопию с интервальной съёмкой на уровне одной клетки и математическое моделирование. С помощью микроскопии они отслеживали экспрессию белка — альтернативного сигма-фактора RpoD4, который играет важную роль в инициации транскрипции (процесса переноса генетической информации с ДНК на РНК).

Моделирование позволило исследователям изучить механизмы обработки сигналов, сравнивая результаты моделирования с данными микроскопии. Команда обнаружила, что RpoD4 включается импульсами, которые происходят только во время деления клетки, что сделало его идеальным маркером для отслеживания.

Ведущий автор доктор Чао Е объяснил: «Мы обнаружили, что циркадные часы диктуют, насколько сильны эти импульсы с течением времени. Используя эту стратегию, клетки могут кодировать информацию о двух осциллирующих сигналах в одном выходном сигнале: информацию о клеточном цикле — в частоте пульсации, а информацию о 24-часовых часах — в силе пульсации. Это первый случай, когда мы наблюдали, как циркадные часы используют амплитудную модуляцию импульса — концепцию, обычно связанную с коммуникационными технологиями, — для контроля биологических функций».

Соавтор доктор Мартинс отметил: «Изменение частоты либо клеточного цикла (через окружающий свет), либо циркадных часов (через генетические мутации) подтвердило основной принцип. Поразительно видеть в природе примеры того, что мы иногда считаем "нашими" инженерными правилами. Линия цианобактерий эволюционировала 2,7 миллиарда лет назад и имеет элегантное решение этой проблемы обработки информации».

Профессор Локк добавил: «Одна из причин, по которой мы изучаем цианобактерии, заключается в том, что у них самые простые циркадные часы из всех организмов, поэтому их понимание закладывает основу для понимания часов у более сложных организмов, таких как люди и сельскохозяйственные культуры. Эти принципы могут иметь более широкие последствия для синтетической биологии и биотехнологии. Например, это может помочь нам в создании культур, более устойчивых к изменяющимся условиям окружающей среды, что важно для сельского хозяйства и устойчивого развития».