Odomknite zložité fungovanie biologických hodín

Vedci chcú lepšie pochopiť cirkadiánne rytmy, 24-hodinové cykly vnútorných biologických hodín spánku a bdenia, ktoré sa vyskytujú v organizmoch od ľudí a rastlín až po huby a baktérie. Výskumný tím skúmal komplexné fungovanie cyanobaktérií a teraz môže lepšie pochopiť, čo poháňa ich cirkadiánne hodiny.

Tím vedený výskumníkmi z Inštitútu molekulárnych vied Národného inštitútu prírodných vied v japonskom Okazaki zverejnil svoje zistenia 15. apríla 2022 v r. Vedci napredujú.

Tím zameral svoj výskum na KaiC, hodinový proteín, ktorý reguluje cirkadiánny rytmus v cyanobaktériách, čo je typ baktérie, ktorá žije vo všetkých typoch vody a často sa vyskytuje v modrozelených riasach. Tieto biologické hodiny v organizmoch sú tvorené bielkovinami. Cirkadiánne hodiny siníc sú najjednoduchšie cirkadiánne hodiny, pokiaľ ide o počet ich komponentov, ale stále ide o veľmi zložitý systém, ktorý môže vedcom poskytnúť informácie o tom, ako všetky cirkadiánne hodiny fungujú. Modravé sinice sú mikroorganizmy, ktoré možno nájsť v prostrediach od slanej a sladkej vody až po pôdu a skaly. Tím skúmal štrukturálny základ alosterie, komplexné zmeny, ktoré sa vyskytujú v tvare a aktivite proteínu KaiC v cyanobaktériách. Allostery riadi cirkadiánne hodiny cyanobaktérií.

Tím študoval atómové štruktúry hodinového proteínu KaiC a skúmal tisíce kryštalizačných podmienok. Táto podrobná štúdia atómových štruktúr im umožnila pokryť celý fosforylačný cyklus, proces, ktorým sa fosfát prenáša na proteín (obrázok 2, spodný panel). Fosforylácia spolupracuje s ďalším reakčným cyklom, hydrolýzou ATP, ktorá zodpovedá energeticky náročným udalostiam určujúcim rýchlosť hodín (obrázok 2, horný panel). Systém fosforylácie-hydrolýzy ATP funguje ako regulátor bunkovej aktivity. Aby im pomohli pochopiť základ alosterie, kryštalizovali proteín KaiC do ôsmich odlišných stavov, čo im umožnilo pozorovať kooperatívnosť medzi cyklom fosforylácie a cyklom hydrolýzy ATP fungujúcim ako dve ozubené kolesá (obrázok 2 vpravo).

V minulosti vedci skúmali fosforový cyklus proteínu KaiC in vivo, in vitro a in silico. Napriek tomu sa málo vedelo o tom, ako alosteria reguluje cyklus fosforu v KaiC.

Štúdiom KaiC v ôsmich rôznych stavoch bol tím schopný pozorovať spojenie, ktoré sa vyskytuje v cykle fosforu a cykle hydrolýzy ATPázy. Toto spojenie dvoch ozubených kolies poháňa cirkadiánne hodiny cyanobaktérií.

“Pretože sa proteíny skladajú z veľkého počtu atómov, nie je ľahké pochopiť mechanizmy ich komplikovaných, ale usporiadaných funkcií. Musíme trpezlivo sledovať štrukturálne zmeny proteínov,” povedal Yoshihiko Furuike, asistent profesora z Molecular Research Institute. . vedy, Národné ústavy prírodných vied.

Proteín KaiC rytmicky autonómne zapína a vypína reakčné cykly, aby reguloval stavy zostavy iných proteínov súvisiacich s hodinami. Takže, premýšľajúc o svojich ďalších krokoch, by tím mohol použiť štrukturálnu biológiu na odhalenie atómových mechanizmov zrýchlenia a spomalenia otáčania ozubených kolies. “Naším cieľom je vidieť všetky cyanobakteriálne hodinové proteíny počas oscilácie na atómovej úrovni a opísať, kedy usporiadaný rytmus vzniká z chaotickej atómovej dynamiky,” povedal Furuike.

Ich práca môže slúžiť ako výskumný nástroj, ktorý vedcom pomôže lepšie pochopiť mechanizmy, ktoré fungujú v cirkadiánnom cykle hodín. V budúcnosti môže výskumný tím vidieť, že ich zistenia budú mať širšie uplatnenie. Cicavce, hmyz, rastliny a baktérie majú svoje vlastné hodinové proteíny s odlišnými sekvenciami a štruktúrami. “Logiku vzťahu medzi dynamikou KaiC a hodinovými funkciami však možno použiť na ďalšie štúdie na rôznych organizmoch, ” povedal Furuike.