Светящиеся и мигающие бактерии раскрывают, как клетки синхронизируют биологические часы

Биологи давно знают, что организмы от бактерий до человека используют 24-часовой цикл света и темноты для настройки своих биологических часов. Однако то, как именно эти часы синхронизируются на молекулярном уровне, чтобы обеспечить взаимодействия внутри популяции клеток, зависящие от точного времени циркадных ритмов, изучено хуже.

Чтобы лучше понять этот процесс, биологи и биоинженеры из UC San Diego создали модельную биологическую систему из светящихся и мигающих бактерий E. coli. Эта простая циркадная система, о которой исследователи сообщают в выпуске Science от 2 сентября, позволила им детально изучить, как популяция клеток синхронизирует свои биологические часы, и впервые математически описать этот процесс.

«Клетки в наших телах захватываются, или синхронизируются, светом и вышли бы из фазы без солнечного света», — пояснил Джефф Хасти, профессор биологии и биоинженерии, возглавлявший исследование. — «Но понять феномен захвата было сложно, потому что трудно проводить измерения. Динамика процесса включает множество компонентов, и точно охарактеризовать, как он работает, непросто. Синтетическая биология предоставляет отличный инструмент для снижения сложности таких систем, чтобы количественно понять их с нуля. Это редукционизм в лучшем виде».

Для изучения процесса захвата на генетическом уровне Хасти и его команда из Biocircuits Institute UC San Diego объединили методы синтетической биологии, микрофлюидных технологий и вычислительного моделирования. Они создали микрофлюидный чип с камерами, содержащими популяции бактерий E. coli. Внутри каждой бактерии генетический механизм, ответственный за колебания биологических часов, был связан с зелёным флуоресцентным белком, что заставляло бактерии периодически флуоресцировать.

Чтобы смоделировать циклы дня и ночи, исследователи модифицировали бактерии так, чтобы они светились и мигали всякий раз, когда через микрофлюидный чип пропускали арабинозу — химическое вещество, запускающее колебательные часовые механизмы бактерий. Таким образом учёные смогли смоделировать периодические циклы день-ночь всего за минуты, а не дни, чтобы лучше понять, как популяция клеток синхронизирует свои биологические часы.

Хасти отметил, что аналогичная микрофлюидная система, в принципе, может быть создана с клетками млекопитающих для изучения синхронизации человеческих клеток со светом и темнотой. Такие генетические модельные системы будут иметь важное будущее применение, поскольку учёные обнаружили, что проблемы с биологическими часами могут приводить ко многим распространённым медицинским проблемам — от диабета до расстройств сна.