Биологичният часовник поддържа 24-часов цикъл, като променя функционирането на гените при топли условия.

Изследователи, ръководени от Ген Куросава от Центъра за интердисциплинарни теоретични и математически науки (iTHEMS) RIKEN в Япония, са използвали теоретична физика, за да открият как нашият биологичен часовник поддържа стабилен 24-часов цикъл, дори когато температурата се променя.

Те открили, че тази стабилност се постига чрез фина промяна във „формата“ на ритмите на генната активност при по-високи температури, процес, известен като изкривяване на формата на вълната. Този процес не само помага за поддържане на точното време, но и влияе върху това колко добре нашите вътрешни часовници се синхронизират с цикъла ден-нощ. Изследването е публикувано в списанието PLOS Computational Biology.

Чудили ли сте се някога как тялото ви знае кога да спи или да се събуди? Отговорът е прост: Тялото ви има биологичен часовник, който работи на приблизително 24-часов цикъл. Но тъй като повечето химични реакции се ускоряват с повишаване на температурите, е загадка как тялото компенсира температурните промени през годината - или дори когато се движим между лятната жега навън и хладината на климатизираните стаи.

Биологичният часовник работи чрез циклични колебания в нивата на иРНК – молекулите, които кодират производството на протеини – които възникват, когато определени гени се включват и изключват ритмично. Точно както движението на махалото може да се опише с математическа синусоида, която се покачва и спада плавно, ритъмът на производството и разпадането на иРНК може да се представи с осцилаторна вълна.

Екипът на Куросава в RIKEN iTHEMS, заедно с колеги от университета YITP в Киото, приложи методи от теоретичната физика, за да анализира математическите модели, които описват тези ритмични трептения на иРНК. По-специално, те използваха метода на ренормиращата група, мощен инструмент от физиката, който позволява да се извлекат ключови, бавно променящи се динамични процеси от ритмичната система на иРНК.

Анализът показа, че с повишаване на температурата нивата на mRNA се покачват по-бързо и спадат по-бавно, но продължителността на един цикъл остава постоянна. На графика този ритъм при високи температури изглежда като изкривена, асиметрична вълна.

За да тестват теоретичните заключения върху живи организми, изследователите анализирали експериментални данни върху плодови мушици и мишки. Всъщност, при повишени температури тези животни показали предвидените изкривявания на формата на вълната, което потвърдило правилността на теоретичния модел.

Учените заключават, че изкривяването на формата на вълната е ключово за температурната компенсация в биологичния часовник, по-специално за забавяне на спада на нивата на мРНК с всеки цикъл.

Екипът също така установи, че изкривяването на формата на вълната влияе върху способността на биологичния часовник да се синхронизира с външни сигнали, като светлина и тъмнина. Анализът показа, че при по-голямо изкривяване на формата на вълната, часовникът е по-стабилен и по-малко повлиян от външни сигнали.

Това теоретично заключение съвпадна с експериментални наблюдения при мухи и гъби и е важно, защото нередовните цикли на светлина и тъмнина са станали част от съвременния живот на повечето хора.

„Нашите резултати показват, че изкривяването на формата на вълната е критичен елемент за това как биологичният часовник остава точен и синхронизиран, дори когато температурата се променя“, казва Куросава.

Той добавя, че бъдещите изследвания биха могли да се фокусират върху идентифицирането на молекулярните механизми, които забавят спада в нивата на мРНК и причиняват изкривяване на формата на вълната. Изследователите също така се надяват да проучат как това изкривяване варира между видовете или дори индивидите, тъй като възрастта и индивидуалните различия могат да повлияят на функционирането на биологичния часовник.

„В дългосрочен план“, отбелязва Куросава, „степента на изкривяване на формата на вълната в гените на часовника може да се превърне в биомаркер за по-добро разбиране на нарушенията на съня, часовата разлика и ефектите от стареенето върху вътрешния часовник. Това би могло също така да разкрие универсални модели на ритми – не само в биологията, но и във всяка система с повтарящи се цикли.“