Искусственные клетки поддерживают 24-часовой цикл, как живые организмы
Исследователи из Калифорнийского университета в Мерседе показали, что крошечные искусственные клетки могут точно отсчитывать время, имитируя суточные ритмы живых организмов. Их работа раскрывает, как биологические часы сохраняют точность, несмотря на присущий клеткам молекулярный шум.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, возглавили профессор биоинженерии Ананд Бала Субраманиам и профессор химии и биохимии Энди ЛиВанг. Первым автором стал Александр Чжан Ту Ли, получивший докторскую степень в лаборатории Субраманиама.
Биологические часы (циркадные ритмы) управляют 24-часовыми циклами, регулирующими сон, метаболизм и другие жизненно важные процессы. Чтобы изучить механизмы циркадных ритмов цианобактерий, учёные воссоздали часовой механизм в упрощённых клеткоподобных структурах — везикулах. В них загрузили ключевые часовые белки, один из которых был помечен флуоресцентным маркером.
Искусственные клетки светились в регулярном 24-часовом ритме как минимум четыре дня. Однако при уменьшении количества часовых белков или размера везикул ритмичное свечение прекращалось. Потеря ритма следовала воспроизводимой закономерности.
Для объяснения результатов команда создала вычислительную модель. Она показала, что часы становятся более устойчивыми при более высоких концентрациях часовых белков, позволяя тысячам везикул точно отсчитывать время — даже при незначительных различиях в количестве белка между ними.
Модель также указала, что другой компонент естественной циркадной системы, отвечающий за включение и выключение генов, не играет главной роли в поддержании индивидуальных часов, но важен для синхронизации времени в популяции.
Исследователи также отметили, что некоторые часовые белки имеют тенденцию прилипать к стенкам везикул, поэтому для поддержания функции необходим высокий общий уровень белка.
«Это исследование показывает, что мы можем разобрать и понять основные принципы биологического отсчёта времени, используя упрощённые синтетические системы», — сказал Субраманиам.
Работа Субраманиама и ЛиВанга развивает методологию изучения биологических часов, отметил Минсю Фан, профессор микробиологии в Университете штата Огайо и эксперт по циркадным часам.
«Циркадные часы цианобактерий полагаются на медленные биохимические реакции, которые по своей природе подвержены шуму. Было предположено, что для его компенсации требуется большое количество часовых белков», — сказал Фан.
«Это новое исследование представляет метод наблюдения за реконструированными часовыми реакциями внутри везикул с регулируемым размером, имитирующих клеточные масштабы. Этот мощный инструмент позволяет напрямую тестировать, как и почему организмы с разным размером клеток могут использовать различные стратегии отсчёта времени, углубляя наше понимание механизмов биологического хронометража у разных форм жизни».