Το βιολογικό ρολόι διατηρεί έναν 24ωρο κύκλο αλλάζοντας τη λειτουργία των γονιδίων σε θερμές συνθήκες.

Ερευνητές με επικεφαλής τον Gen Kurosawa στο Κέντρο Διεπιστημονικών Θεωρητικών και Μαθηματικών Επιστημών RIKEN (iTHEMS) στην Ιαπωνία χρησιμοποίησαν τη θεωρητική φυσική για να ανακαλύψουν πώς το βιολογικό μας ρολόι διατηρεί έναν σταθερό 24ωρο κύκλο ακόμη και όταν αλλάζει η θερμοκρασία.

Διαπίστωσαν ότι αυτή η σταθερότητα επιτυγχάνεται με μια ανεπαίσθητη μετατόπιση στο «σχήμα» των ρυθμών της γονιδιακής δραστηριότητας σε υψηλότερες θερμοκρασίες, μια διαδικασία γνωστή ως παραμόρφωση κυματομορφής. Αυτή η διαδικασία όχι μόνο βοηθά στη διατήρηση της ακριβούς ώρας, αλλά επηρεάζει και το πόσο καλά συγχρονίζονται τα εσωτερικά μας ρολόγια με τον κύκλο ημέρας-νύχτας. Η μελέτη δημοσιεύεται στο περιοδικό PLOS Computational Biology.

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ πώς ξέρει το σώμα σας πότε πρέπει να κοιμηθεί ή να ξυπνήσει; Η απάντηση είναι απλή: Το σώμα σας έχει ένα βιολογικό ρολόι που λειτουργεί σε έναν κύκλο περίπου 24 ωρών. Αλλά επειδή οι περισσότερες χημικές αντιδράσεις επιταχύνονται καθώς αυξάνονται οι θερμοκρασίες, αποτελεί μυστήριο πώς το σώμα αντισταθμίζει τις αλλαγές θερμοκρασίας καθ' όλη τη διάρκεια του έτους - ή ακόμα και καθώς κινούμαστε μεταξύ της καλοκαιρινής ζέστης έξω και της δροσιάς των κλιματιζόμενων δωματίων.

Το βιολογικό ρολόι λειτουργεί με κυκλικές διακυμάνσεις στα επίπεδα του mRNA —των μορίων που κωδικοποιούν την παραγωγή πρωτεϊνών— που συμβαίνουν όταν ορισμένα γονίδια ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται ρυθμικά. Ακριβώς όπως η κίνηση ενός εκκρεμούς μπορεί να περιγραφεί από ένα μαθηματικό ημιτονοειδές κύμα, που ανεβαίνει και κατεβαίνει ομαλά, ο ρυθμός της παραγωγής και της αποσύνθεσης του mRNA μπορεί να αναπαρασταθεί από ένα ταλαντωτικό κύμα.

Η ομάδα του Kurosawa στο RIKEN iTHEMS, μαζί με συναδέλφους του στο Πανεπιστήμιο YITP Kyoto, εφάρμοσαν μεθόδους από τη θεωρητική φυσική για να αναλύσουν τα μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν αυτές τις ρυθμικές ταλαντώσεις του mRNA. Συγκεκριμένα, χρησιμοποίησαν τη μέθοδο της ομάδας επανακανονικοποίησης, ένα ισχυρό εργαλείο της φυσικής που επιτρέπει σε κάποιον να εξάγει βασικές, αργά μεταβαλλόμενες δυναμικές διεργασίες από το σύστημα ρυθμού mRNA.

Η ανάλυση έδειξε ότι καθώς η θερμοκρασία αυξανόταν, τα επίπεδα mRNA αυξάνονταν ταχύτερα και μειώνονταν πιο αργά, αλλά η διάρκεια ενός κύκλου παρέμενε σταθερή. Σε ένα γράφημα, αυτός ο ρυθμός σε υψηλές θερμοκρασίες έμοιαζε με ένα παραμορφωμένο, ασύμμετρο κύμα.

Για να ελέγξουν τα θεωρητικά συμπεράσματα σε ζωντανούς οργανισμούς, οι ερευνητές ανέλυσαν πειραματικά δεδομένα σε μύγες των φρούτων και ποντίκια. Πράγματι, σε υψηλές θερμοκρασίες, αυτά τα ζώα εμφάνισαν τις προβλεπόμενες παραμορφώσεις κυματομορφής, γεγονός που επιβεβαίωσε την ορθότητα του θεωρητικού μοντέλου.

Οι επιστήμονες καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η παραμόρφωση της κυματομορφής είναι το κλειδί για την αντιστάθμιση της θερμοκρασίας στο βιολογικό ρολόι, και συγκεκριμένα για την επιβράδυνση της μείωσης των επιπέδων mRNA με κάθε κύκλο.

Η ομάδα διαπίστωσε επίσης ότι η παραμόρφωση της κυματομορφής επηρεάζει την ικανότητα του βιολογικού ρολογιού να συγχρονίζεται με εξωτερικά σήματα, όπως το φως και το σκοτάδι. Η ανάλυση έδειξε ότι με μεγαλύτερη παραμόρφωση της κυματομορφής, το ρολόι είναι πιο σταθερό και επηρεάζεται λιγότερο από εξωτερικά σήματα.

Αυτό το θεωρητικό συμπέρασμα συνέπεσε με πειραματικές παρατηρήσεις σε μύγες και μύκητες και είναι σημαντικό επειδή οι ακανόνιστοι κύκλοι φωτός-σκότους έχουν γίνει μέρος της σύγχρονης ζωής για τους περισσότερους ανθρώπους.

«Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η παραμόρφωση της κυματομορφής είναι ένα κρίσιμο στοιχείο για το πώς το βιολογικό ρολόι παραμένει ακριβές και συγχρονισμένο, ακόμη και όταν αλλάζει η θερμοκρασία», λέει ο Κουροσάβα.

Προσθέτει ότι η μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να επικεντρωθεί στον εντοπισμό των μοριακών μηχανισμών που επιβραδύνουν τη μείωση των επιπέδων mRNA και προκαλούν την παραμόρφωση της κυματομορφής. Οι ερευνητές ελπίζουν επίσης να μελετήσουν πώς αυτή η παραμόρφωση ποικίλλει μεταξύ ειδών ή ακόμα και ατόμων, καθώς η ηλικία και οι ατομικές διαφορές μπορούν να επηρεάσουν τη λειτουργία του βιολογικού ρολογιού.

«Μακροπρόθεσμα», σημειώνει ο Κουροσάβα, «ο βαθμός παραμόρφωσης της κυματομορφής στα γονίδια του ρολογιού θα μπορούσε να γίνει βιοδείκτης για την καλύτερη κατανόηση των διαταραχών ύπνου, του jet lag και των επιπτώσεων της γήρανσης στο εσωτερικό ρολόι. Θα μπορούσε επίσης να αποκαλύψει καθολικά πρότυπα ρυθμών - όχι μόνο στη βιολογία αλλά σε οποιοδήποτε σύστημα με επαναλαμβανόμενους κύκλους».