Биологические часы различных организмов, включая бактерии и человека, обладают уникальной способностью поддерживать точность несмотря на хаотичные изменения окружающей среды. Эта устойчивость позволяет им игнорировать незначительные колебания, такие как внезапные облака или кратковременные изменения освещённости, и эффективно реагировать только на важные сигналы, например, на смену дня и ночи.
В каждой человеческой клетке встроены молекулярные часы, координирующие ежедневные ритмы организма. Такие внутренние часы должны быть синхронизированы на протяжении всей жизни и одновременно способны быстро подстраиваться под новые условия, как это происходит при смене часовых поясов и возникновении джетлага.
Растения используют свои циркадные часы для подготовки к рассвету и адаптации к сезонным изменениям длины дня, но при этом фильтруют случайные помехи, например, тень от облаков. Подобные механизмы обнаруживаются и у микроорганизмов.
Ключевые открытия были сделаны на примере одноклеточной фотосинтезирующей бактерии Synechococcus elongatus — самого простого известного организма с циркадным ритмом. Для наблюдения за её молекулярными часами была разработана уникальная микрофлюидная система "Green Mother Machine", созданная доктором Сашей Ерёминой в рамках её диссертационной работы в Sainsbury Laboratory Кембриджского университета. Разработка прибора началась в 2016 году и потребовала множества технических решений, чтобы не нарушить фотосинтез в процессе длительных наблюдений.
Green Mother Machine позволила впервые фиксировать рост, экспрессию генов и работу биологических часов отдельных клеток Synechococcus elongatus на протяжении многих дней с высокой точностью. Ключевым участником процесса решения технических сложностей был доктор Бруно Мартинс из Университета Уорика.
Исследование показало, что даже при наличии значительных внутриклеточных шумов, возникающих в ходе работы отдельных компонентов и регуляторных механизмов, циркадные часы бактерий сохраняют устойчивость. Генетические эксперименты выявили, что природные часы функционируют в режиме «минимального шума», что указывает на эволюционный отбор в пользу максимальной точности. Как отмечает доктор Филипп Томас из Имперского колледжа Лондона: «Естественный отбор сформировал молекулярные часы, работающие на минимальных уровнях помех».
Благодаря этой устойчивости клетки могут оставаться синхронизированными на протяжении сотен дней, практически не сбиваясь с ритма. Сердцем временной системы служит осциллятор, построенный из трёх белков Kai, которые циклически соединяются и фосфорилируются, создавая стабильный 24-часовой ритм. Именно этот белковый комплекс, а не более широкие генные сети, обеспечивает главную устойчивость биологических часов. Такой фундаментальный принцип актуален и для синтетической биологии, где требуется создание надёжных синхронизаторов для управляемых систем.
Рабочие характеристики биологических часов были протестированы в условиях, максимально приближённых к естественным: учёные моделировали сложные световые циклы, включая реальные метеорологические паттерны, например, освещённость Карибского моря. В каждом сценарии реакция клеточных часов полностью совпадала с математическими прогнозами.
Один из главных выводов — даже простая сеть из нескольких белков способна избирательно фильтровать внешние шумы, выделяя только значимые сигналы. Это доказывает, что устойчивое биологическое время — результат сложной молекулярной архитектуры, которая совершенствовалась миллионы лет и теперь служит образцом для новых инженерных решений.
К исследованию были привлечены учёные из Sainsbury Laboratory Кембриджского университета, Имперского колледжа Лондона, Университета Уорика и Forschungszentrum Jülich. Среди ключевых участников — доктор Саша Ерёмина, профессор Джеймс Лок, доктор Дитрих Кохлейер.
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Изображение носит иллюстративный характер
В каждой человеческой клетке встроены молекулярные часы, координирующие ежедневные ритмы организма. Такие внутренние часы должны быть синхронизированы на протяжении всей жизни и одновременно способны быстро подстраиваться под новые условия, как это происходит при смене часовых поясов и возникновении джетлага.
Растения используют свои циркадные часы для подготовки к рассвету и адаптации к сезонным изменениям длины дня, но при этом фильтруют случайные помехи, например, тень от облаков. Подобные механизмы обнаруживаются и у микроорганизмов.
Ключевые открытия были сделаны на примере одноклеточной фотосинтезирующей бактерии Synechococcus elongatus — самого простого известного организма с циркадным ритмом. Для наблюдения за её молекулярными часами была разработана уникальная микрофлюидная система "Green Mother Machine", созданная доктором Сашей Ерёминой в рамках её диссертационной работы в Sainsbury Laboratory Кембриджского университета. Разработка прибора началась в 2016 году и потребовала множества технических решений, чтобы не нарушить фотосинтез в процессе длительных наблюдений.
Green Mother Machine позволила впервые фиксировать рост, экспрессию генов и работу биологических часов отдельных клеток Synechococcus elongatus на протяжении многих дней с высокой точностью. Ключевым участником процесса решения технических сложностей был доктор Бруно Мартинс из Университета Уорика.
Исследование показало, что даже при наличии значительных внутриклеточных шумов, возникающих в ходе работы отдельных компонентов и регуляторных механизмов, циркадные часы бактерий сохраняют устойчивость. Генетические эксперименты выявили, что природные часы функционируют в режиме «минимального шума», что указывает на эволюционный отбор в пользу максимальной точности. Как отмечает доктор Филипп Томас из Имперского колледжа Лондона: «Естественный отбор сформировал молекулярные часы, работающие на минимальных уровнях помех».
Благодаря этой устойчивости клетки могут оставаться синхронизированными на протяжении сотен дней, практически не сбиваясь с ритма. Сердцем временной системы служит осциллятор, построенный из трёх белков Kai, которые циклически соединяются и фосфорилируются, создавая стабильный 24-часовой ритм. Именно этот белковый комплекс, а не более широкие генные сети, обеспечивает главную устойчивость биологических часов. Такой фундаментальный принцип актуален и для синтетической биологии, где требуется создание надёжных синхронизаторов для управляемых систем.
Рабочие характеристики биологических часов были протестированы в условиях, максимально приближённых к естественным: учёные моделировали сложные световые циклы, включая реальные метеорологические паттерны, например, освещённость Карибского моря. В каждом сценарии реакция клеточных часов полностью совпадала с математическими прогнозами.
Один из главных выводов — даже простая сеть из нескольких белков способна избирательно фильтровать внешние шумы, выделяя только значимые сигналы. Это доказывает, что устойчивое биологическое время — результат сложной молекулярной архитектуры, которая совершенствовалась миллионы лет и теперь служит образцом для новых инженерных решений.
К исследованию были привлечены учёные из Sainsbury Laboratory Кембриджского университета, Имперского колледжа Лондона, Университета Уорика и Forschungszentrum Jülich. Среди ключевых участников — доктор Саша Ерёмина, профессор Джеймс Лок, доктор Дитрих Кохлейер.
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
