Раскрыт механизм работы древних биологических часов

Голландские и немецкие исследователи обнаружили механизм работы одних из старейших в мире биологических часов, которые имеют решающее значение для жизни на Земле. Учёные применили новую комбинацию передовых исследовательских методик и выяснили, как в деталях работает биологический часовой механизм у цианобактерий. Это важно для понимания жизни, поскольку цианобактерии были первыми организмами, производившими кислород посредством фотосинтеза. Результаты исследования будут опубликованы в Science.

Десять лет назад было обнаружено, что биологические часы цианобактерий состоят всего из трёх белковых компонентов: KaiA, KaiB и KaiC. Это «шестерёнки, пружины и балансиры» сложной системы, напоминающей точный швейцарский хронометр. В 2005 году японские учёные показали в Science, что раствор этих трёх компонентов в пробирке может поддерживать 24-часовой цикл в течение нескольких дней при добавлении небольшого количества энергии. Однако точный механизм работы системы оставался нераскрытым, несмотря на её относительную простоту.

Как «остановить время»

Ключом к пониманию работы часового механизма стало буквально «остановить время», — рассказывает руководитель исследования Альберт Хек из Утрехтского университета. — Мы замедлили биологические часы, запустив их на неделю в холодильнике. В прямом смысле мы заморозили время».

Новая комбинация методов

Помимо «остановки времени», исследователи применили новую комбинацию передовых методик:

• Одна техника позволила определить, как часто каждый из трёх белковых комплексов (KaiA, KaiB и KaiC) собирается и разбирается в течение одного 24-часового цикла. Это показало, какие комбинации белковых «компонентов» определяют суточный ритм.
• Затем, снижая температуру, учёные останавливали часы в определённые моменты. Это позволило с помощью других методов детально изучить структуру сборки белковых компонентов в этот момент — «положение шестерёнок, пружин и балансиров».

Результат исследования

Были идентифицированы две структуры, жизненно важные для понимания работы часов. Определив переходы от одной структуры к другой, исследователи выяснили, как «вращаются шестерёнки». В результате была создана модель, которая точно показывает, как всего три белковых компонента образуют прецизионный часовой механизм с 24-часовым циклом.

«Хотя биологические часы цианобактерий очень стары в геологическом плане, мы можем многому научиться у этой системы и сегодня», — говорит Хек. Несколько лет назад аналогичный процесс был обнаружен в наших красных кровяных тельцах. «Цианобактерии — первые организмы, производившие кислород. Обогащение кислородом стало основой для современной жизни. С результатами этого исследования мы изучаем биологические первопринципы жизни, но также можем применять их в клинических исследованиях», — резюмирует учёный.