Как циркадный ритм влияет на действие лекарств на растения
Циркадные ритмы — суточные колебания биологических процессов — оказывают огромное влияние на здоровье. Хрономедицина использует это знание, чтобы повысить эффективность лечения, подбирая оптимальное время приёма лекарств, питания или физических нагрузок. Это связано с тем, что наши внутренние часы ежедневно включают и выключают не менее трети наших генов и производимых ими белков, определяя реакцию организма.
Растения, как и люди, обладают циркадными часами, которые контролируют метаболизм и рост. Время суток, когда растение сталкивается со стрессом (жара, засуха, патогены), влияет на его устойчивость. Концепция хроносельского хозяйства (chronoculture) изучает, как можно использовать циркадные ритмы сельскохозяйственных культур для повышения урожайности, например, синхронизируя время полива или внесения удобрений и гербицидов с этими ритмами.
Исследование лаборатории автора направлено на понимание того, как метаболизм влияет на циркадные ритмы растений. В недавней работе под руководством аспиранта Сян Ли использовался подход химической биологии — применение лекарств или подобных соединений для изучения биологических систем.
Учёные протестировали более 1000 препаратов (включая ибупрофен, аспирин и кофеин), известных своим действием на клетки животных, чтобы выяснить, влияют ли они на метаболический контроль циркадной экспрессии генов у растений. Оказалось, что удивительно большое количество этих препаратов действует и на растительные клетки, поскольку базовые клеточные процессы у растений и животных очень схожи.
Примеры открытий:
- Пентамидина изетионат (лекарство от сонной болезни и тяжёлой пневмонии), действующий на нервные клетки животных, сильно замедлил рост растений и скорость их циркадных часов. Растения не имеют нервной системы, но используют для передачи сигналов сходные белки, что помогает понять механизм действия препарата.
- Некоторые препараты (например, влияющие на серотониновую нейропередачу), по-видимому, действуют на растения иначе, поскольку их мишени в растениях отсутствуют. Серотонин растения производят, но его роль изучена мало.
Практическое значение:
- Некоторые из этих соединений могут стать основой для новых гербицидов.
- Возможно стимулировать рост сельскохозяйственных культур, активируя метаболизм в нужное время суток.
- Можно точно настраивать циркадные ритмы растений для повышения их продуктивности (аналогично тому, как кофеин влияет на человека).
Преимущество подхода химической биологии — возможность легко тестировать эффекты этих соединений на других видах, включая различные культуры или уязвимые организмы в экосистеме (например, насекомых). Это поможет минимизировать экологический ущерб от новых агротехнических методов.
В краткосрочной перспективе эти препараты с новообнаруженным действием дают уникальную возможность глубже изучить связь метаболизма растений с их циркадными ритмами, приближая реализацию хроносельского хозяйства.