Ang biological na orasan ay nagpapanatili ng 24 na oras na cycle sa pamamagitan ng pagbabago sa paggana ng mga gene sa mainit na kondisyon

Ang mga mananaliksik na pinamumunuan ni Gen Kurosawa sa RIKEN Center for Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences (iTHEMS) sa Japan ay gumamit ng teoretikal na pisika upang matuklasan kung paano pinapanatili ng ating biological na orasan ang isang matatag na 24 na oras na cycle kahit na nagbabago ang temperatura.

Nalaman nila na ang katatagan na ito ay nakakamit sa pamamagitan ng banayad na pagbabago sa "hugis" ng mga ritmo ng aktibidad ng gene sa mas mataas na temperatura, isang proseso na kilala bilang pagbaluktot ng waveform. Ang prosesong ito ay hindi lamang nakakatulong na panatilihin ang tumpak na oras, ngunit nakakaapekto rin kung gaano kahusay ang pag-sync ng aming mga panloob na orasan sa ikot ng araw-gabi. Ang pag-aaral ay na-publish sa journal PLOS Computational Biology.

Naisip mo na ba kung paano alam ng iyong katawan kung kailan matutulog o gigising? Ang sagot ay simple: Ang iyong katawan ay may biological na orasan na tumatakbo sa halos 24 na oras na cycle. Ngunit dahil ang karamihan sa mga reaksiyong kemikal ay bumibilis habang tumataas ang temperatura, naging misteryo kung paano binabayaran ng katawan ang mga pagbabago sa temperatura sa buong taon — o kahit na lumilipat tayo sa pagitan ng init ng tag-araw sa labas at sa lamig ng mga kuwartong naka-air condition.

Gumagana ang biological clock sa pamamagitan ng cyclical fluctuation sa mga antas ng mRNA—ang mga molecule na nagko-code para sa produksyon ng protina—na nangyayari kapag ang ilang mga gene ay rhythmically naka-on at naka-off. Kung paanong ang paggalaw ng isang pendulum ay maaaring ilarawan ng isang mathematical na sine wave, na tumataas at bumaba nang maayos, ang ritmo ng produksyon at pagkabulok ng mRNA ay maaaring kinakatawan ng isang oscillatory wave.

Ang koponan ni Kurosawa sa RIKEN iTHEMS, kasama ang mga kasamahan sa YITP Kyoto University, ay naglapat ng mga pamamaraan mula sa teoretikal na pisika upang pag-aralan ang mga mathematical na modelo na naglalarawan sa mga ritmikong oscillations na ito ng mRNA. Sa partikular, ginamit nila ang renormalization group method, isang makapangyarihang tool mula sa physics na nagpapahintulot sa isa na kunin ang susi, dahan-dahang nagbabago ng mga dynamic na proseso mula sa mRNA rhythm system.

Ang pagsusuri ay nagpakita na habang ang temperatura ay tumaas, ang mga antas ng mRNA ay tumaas nang mas mabilis at bumaba nang mas mabagal, ngunit ang tagal ng isang cycle ay nanatiling pare-pareho. Sa isang graph, ang ritmong ito sa matataas na temperatura ay mukhang isang distorted, asymmetric wave.

Upang subukan ang mga teoretikal na konklusyon sa mga buhay na organismo, sinuri ng mga mananaliksik ang pang-eksperimentong data sa mga langaw ng prutas at mga daga. Sa katunayan, sa mataas na temperatura, ipinakita ng mga hayop na ito ang hinulaang mga pagbaluktot ng waveform, na nakumpirma ang kawastuhan ng teoretikal na modelo.

Napagpasyahan ng mga siyentipiko na ang pagbaluktot ng waveform ay susi sa kompensasyon ng temperatura sa biological na orasan, partikular sa pagbagal ng pagbaba ng mga antas ng mRNA sa bawat cycle.

Nalaman din ng team na ang waveform distortion ay nakakaapekto sa kakayahan ng body clock na mag-synchronize sa mga panlabas na pahiwatig, tulad ng liwanag at dilim. Ang pagsusuri ay nagpakita na sa mas malaking waveform distortion, ang orasan ay mas matatag at hindi gaanong apektado ng mga panlabas na pahiwatig.

Ang teoretikal na konklusyon na ito ay kasabay ng mga eksperimentong obserbasyon sa mga langaw at fungi at mahalaga dahil ang hindi regular na light-dark cycle ay naging bahagi ng modernong buhay para sa karamihan ng mga tao.

"Ang aming mga resulta ay nagpapakita na ang waveform distortion ay isang kritikal na elemento sa kung paano nananatiling tumpak at naka-synchronize ang biological na orasan, kahit na nagbabago ang temperatura," sabi ni Kurosawa.

Idinagdag niya na ang pananaliksik sa hinaharap ay maaaring tumuon sa pagtukoy sa mga mekanismo ng molekular na nagpapabagal sa pagbaba ng mga antas ng mRNA at nagiging sanhi ng pagbaluktot ng waveform. Inaasahan din ng mga mananaliksik na pag-aralan kung paano nag-iiba ang pagbaluktot na ito sa pagitan ng mga species o kahit na mga indibidwal, dahil ang edad at indibidwal na mga pagkakaiba ay maaaring makaapekto sa paggana ng biological na orasan.

"Sa mahabang panahon," sabi ni Kurosawa, "ang antas ng pagbaluktot ng waveform sa mga gene ng orasan ay maaaring maging isang biomarker para sa mas mahusay na pag-unawa sa mga karamdaman sa pagtulog, jet lag, at mga epekto ng pagtanda sa panloob na orasan. Maaari rin itong magbunyag ng mga unibersal na pattern ng mga ritmo — hindi lamang sa biology kundi sa anumang sistema na may paulit-ulit na mga cycle."