Biologické hodiny udržují 24hodinový cyklus změnou fungování genů v teplých podmínkách.

Výzkumníci pod vedením Gena Kurosawy z Centra RIKEN pro interdisciplinární teoretické a matematické vědy (iTHEMS) v Japonsku využili teoretickou fyziku k objevení, jak si naše biologické hodiny udržují stabilní 24hodinový cyklus i při změně teploty.

Zjistili, že této stability je dosaženo jemným posunem „tvaru“ rytmů genové aktivity při vyšších teplotách, což je proces známý jako zkreslení průběhu. Tento proces nejen pomáhá udržovat přesný čas, ale také ovlivňuje, jak dobře se naše vnitřní hodiny synchronizují s denním a nočním cyklem. Studie je publikována v časopise PLOS Computational Biology.

Přemýšleli jste někdy o tom, jak vaše tělo ví, kdy má spát nebo se probudit? Odpověď je jednoduchá: Vaše tělo má biologické hodiny, které běží zhruba na 24hodinovém cyklu. Ale protože se většina chemických reakcí s rostoucí teplotou zrychluje, je záhadou, jak tělo kompenzuje teplotní změny v průběhu roku – nebo dokonce i když se pohybujeme mezi letním horkem venku a chladem klimatizovaných místností.

Biologické hodiny fungují na základě cyklických fluktuací hladin mRNA – molekul kódujících produkci proteinů – ke kterým dochází, když se určité geny rytmicky zapínají a vypínají. Stejně jako lze pohyb kyvadla popsat matematickou sinusovou vlnou, která plynule stoupá a klesá, lze rytmus produkce a rozpadu mRNA reprezentovat oscilační vlnou.

Kurosawův tým z RIKEN iTHEMS společně s kolegy z YITP Kyoto University aplikoval metody z teoretické fyziky k analýze matematických modelů, které popisují tyto rytmické oscilace mRNA. Zejména použili metodu renormalizační grupy, což je mocný nástroj z fyziky, který umožňuje extrahovat klíčové, pomalu se měnící dynamické procesy z rytmického systému mRNA.

Analýza ukázala, že s rostoucí teplotou hladiny mRNA rostly rychleji a klesaly pomaleji, ale délka jednoho cyklu zůstávala konstantní. Na grafu tento rytmus při vysokých teplotách vypadal jako zkreslená, asymetrická vlna.

Aby vědci ověřili teoretické závěry na živých organismech, analyzovali experimentální data o octomilkách a myších. Při zvýšených teplotách tato zvířata skutečně vykazovala předpokládané zkreslení tvaru vlny, což potvrdilo správnost teoretického modelu.

Vědci dospěli k závěru, že zkreslení tvaru vlny je klíčem k teplotní kompenzaci biologických hodin, konkrétně ke zpomalení poklesu hladin mRNA s každým cyklem.

Tým také zjistil, že zkreslení průběhu ovlivňuje schopnost biologických hodin synchronizovat se s vnějšími podněty, jako je světlo a tma. Analýza ukázala, že s větším zkreslením průběhu jsou hodiny stabilnější a méně ovlivněny vnějšími podněty.

Tento teoretický závěr se shodoval s experimentálními pozorováními u much a hub a je důležitý, protože nepravidelné cykly světla a tmy se staly součástí moderního života většiny lidí.

„Naše výsledky ukazují, že zkreslení průběhu signálu je klíčovým prvkem v tom, jak biologické hodiny zůstávají přesné a synchronizované, a to i při změnách teploty,“ říká Kurosawa.

Dodává, že budoucí výzkum by se mohl zaměřit na identifikaci molekulárních mechanismů, které zpomalují pokles hladin mRNA a způsobují zkreslení tvaru vlny. Vědci také doufají, že budou moci prozkoumat, jak se toto zkreslení liší mezi druhy nebo dokonce mezi jednotlivci, jelikož věk a individuální rozdíly mohou ovlivnit fungování biologických hodin.

„Z dlouhodobého hlediska,“ poznamenává Kurosawa, „by se míra zkreslení tvaru vlny v genech hodin mohla stát biomarkerem pro lepší pochopení poruch spánku, jet lagu a vlivu stárnutí na vnitřní hodiny. Mohla by také odhalit univerzální vzorce rytmů – nejen v biologii, ale v jakémkoli systému s opakujícími se cykly.“