Ceasul biologic menține un ciclu de 24 de ore prin modificarea funcționării genelor în condiții de căldură.

Cercetătorii conduși de Gen Kurosawa de la Centrul RIKEN pentru Științe Teoretice și Matematice Interdisciplinare (iTHEMS) din Japonia au folosit fizica teoretică pentru a descoperi cum ceasul nostru biologic menține un ciclu stabil de 24 de ore chiar și atunci când temperatura se schimbă.

Ei au descoperit că această stabilitate se obține printr-o schimbare subtilă a „formei” ritmurilor de activitate genetică la temperaturi mai ridicate, un proces cunoscut sub numele de distorsiune a formei de undă. Acest proces nu numai că ajută la menținerea orei precise, dar afectează și cât de bine se sincronizează ceasurile noastre interne cu ciclul zi-noapte. Studiul este publicat în revista PLOS Computational Biology.

Te-ai întrebat vreodată cum știe corpul tău când să doarmă sau să se trezească? Răspunsul este simplu: Corpul tău are un ceas biologic care funcționează pe un ciclu de aproximativ 24 de ore. Dar, deoarece majoritatea reacțiilor chimice se accelerează pe măsură ce temperaturile cresc, a rămas un mister cum compensează organismul schimbările de temperatură pe parcursul anului - sau chiar atunci când trecem de la căldura verii de afară la răcoarea camerelor cu aer condiționat.

Ceasul biologic funcționează prin fluctuații ciclice ale nivelurilor de ARNm - moleculele care codifică producția de proteine - care apar atunci când anumite gene sunt activate și dezactivate ritmic. Așa cum mișcarea unui pendul poate fi descrisă printr-o undă sinusoidală matematică, care crește și scade lin, ritmul producției și descreșterii ARNm poate fi reprezentat printr-o undă oscilatorie.

Echipa lui Kurosawa de la RIKEN iTHEMS, împreună cu colegii de la Universitatea YITP Kyoto, a aplicat metode din fizica teoretică pentru a analiza modelele matematice care descriu aceste oscilații ritmice ale ARNm. În special, au folosit metoda grupului de renormalizare, un instrument puternic din fizică care permite extragerea proceselor dinamice cheie, care se schimbă lent, din sistemul ritmic al ARNm.

Analiza a arătat că, pe măsură ce temperatura creștea, nivelurile de ARNm creșteau mai rapid și scădeau mai lent, dar durata unui ciclu rămânea constantă. Pe un grafic, acest ritm la temperaturi ridicate arăta ca o undă distorsionată, asimetrică.

Pentru a testa concluziile teoretice în organismele vii, cercetătorii au analizat date experimentale pe muște de fructe și șoareci. Într-adevăr, la temperaturi ridicate, aceste animale au prezentat distorsiunile previzionate ale formei de undă, ceea ce a confirmat corectitudinea modelului teoretic.

Oamenii de știință au concluzionat că distorsiunea formei de undă este esențială pentru compensarea temperaturii în ceasul biologic, în special pentru încetinirea declinului nivelurilor de ARNm cu fiecare ciclu.

Echipa a descoperit, de asemenea, că distorsiunea formei de undă afectează capacitatea ceasului biologic de a se sincroniza cu indicii externi, cum ar fi lumina și întunericul. Analiza a arătat că, cu o distorsiune mai mare a formei de undă, ceasul este mai stabil și mai puțin afectat de indicii externi.

Această concluzie teoretică a coincis cu observațiile experimentale la muște și ciuperci și este importantă deoarece ciclurile neregulate lumină-întuneric au devenit parte a vieții moderne pentru majoritatea oamenilor.

„Rezultatele noastre arată că distorsiunea formei de undă este un element critic în modul în care ceasul biologic rămâne precis și sincronizat, chiar și atunci când temperatura se schimbă”, spune Kurosawa.

El adaugă că cercetările viitoare s-ar putea concentra pe identificarea mecanismelor moleculare care încetinesc declinul nivelurilor de ARNm și cauzează distorsiunea formei de undă. Cercetătorii speră, de asemenea, să studieze modul în care această distorsiune variază între specii sau chiar indivizi, deoarece vârsta și diferențele individuale pot afecta funcționarea ceasului biologic.

„Pe termen lung”, notează Kurosawa, „gradul de distorsiune a formei de undă din genele ceasului ar putea deveni un biomarker pentru o mai bună înțelegere a tulburărilor de somn, a decalajului orar și a efectelor îmbătrânirii asupra ceasului intern. De asemenea, ar putea dezvălui tipare universale de ritmuri - nu doar în biologie, ci în orice sistem cu cicluri repetitive.”