W bakteryjne rytmów dobowych , jak innych rytmów dobowych są endogenne .
Niedawno odkryto, są przejawem tego, co nazywamy dobowego zegara lub zegar biologiczny lub zegar wewnętrzny .
Koordynacja i czasowa optymalizacja procesów biologicznych oraz adaptacja do codziennych wahań odgrywają ważną rolę w przetrwaniu większości organizmów.
Do połowy lat 80- tych XX wieku uważano, że tylko komórki eukariotyczne korzystają z endogennego rytmu okołodobowego, ale od tego czasu wykazano, że sinice (bakterie fotosyntetyzujące z gromady Eubacteria ) mają również system rytmu. Biologiczny endogenny spełniający trzy kryteria dobowe rytm (patrz poniżej).
W tych bakteriach trzy kluczowe białka, których struktury są obecnie znane, mogą stanowić odpowiednik zegara molekularnego kontrolującego lub koordynującego globalną ekspresję genów i które mogą - nawet in vitro (pod warunkiem, że dostępne jest ATP) - zachowywać się jak „ oscylator ”.
System ten pozwala tym bakteriom lepiej dopasować się do wspaniałych rytmów środowiskowych, które charakteryzują ekosystemy narażone na cykle dnia i nocy.
Dla biologa „prawdziwy” rytm dobowy musi (w normalnych granicach naturalnego środowiska organizmu) charakteryzować się trzema cechami:
Czy prokariota są zdolne do rytmiki okołodobowej? Przed połową lat 80. wydawało się to mało prawdopodobne, w szczególności dlatego, że nie było jasne, w jaki sposób endogenny rytm, a zwłaszcza okresowość 12 lub 24 godzin, byłby przydatny dla gatunków pozornie tak „prostych” i prymitywnych, a nawet idealnych. warunkach, są w stanie rozmnażać się kilka razy dziennie. Innymi słowy: „Dlaczego wewnętrzny zegar wskazuje czas i cykl dłuższy niż jego cykl życia?” „ Ta kwestia naprawdę nie ma znaczenia, ponieważ te bakterie są jednokomórkowe i zasadniczo rozmnażają się poprzez prosty podział, a nie rozmnażanie płciowe .
W rzeczywistości dużą populację bakterii można porównać do rosnącej protoplazmy , czasami nawet uważanej za „ superorganizm ”; w tym kontekście program czasowy trwający 12 lub 24 godziny może faktycznie poprawić dopasowanie tych bakterii do rytmicznego środowiska poprzez zmiany dnia / nocy oraz zmiany temperatury i natężenia światła. Te ostatnie są rzeczywiście szczególnie ważne dla bakterii fotosyntetycznych .
W roku 1985 - 86 , wiele zespołów badawczych odkryto sinice dziennie rytmów wiązania azotu , niezmiennicze, w warunkach ciągłego światła lub ciągłego ciemności.
Huang i jego koledzy jako pierwsi zademonstrowali u sinic Synechococcus sp . RF-1 (bakterie żyjące w wodach słodkich ) rytmy okołodobowe . W artykułach publikowanych od 1986 roku opisano trzy główne cechy rytmów okołodobowych w jednym organizmie. Kolejne fundamentalne badanie dotyczy Sweeneya i Borgese. zespół ten jako pierwszy zademonstrował również kompensację temperatury dobowego rytmu u morskiego sinicy Synechococcus WH7803.
W tamtym czasie można było scharakteryzować tylko dwa geny „okołodobowe” ; pierwszy był odpowiedzialny za okres w Drosophila , a drugi był odpowiedzialny za częstotliwość w Neurospora crassa . Inny gen został zidentyfikowany rok później u muchy, kilka lat przed odkryciem pierwszego genu u ssaka. W latach osiemdziesiątych nadal można było sądzić, że wszystkie formy życia używają tego samego mechanizmu wewnętrznego zegara, ponieważ wszystkie znane gatunki wykorzystują ATP do magazynowania energii, a DNA do magazynowania dużych ilości energii - części informacji genetycznej. W rzeczywistości tak nie jest i wydaje się, że ewolucja za każdym razem rozwinęła różne rozwiązania.
Na początku lat 1990, był genetycznie zmodyfikowany szczep cyjanobakterii Synechococcus elongatus przez włożenie go do genu z lucyferazą . Gen ten umożliwiał śledzenie czasowo i ilościowo, z dużą precyzją i w sposób „nieinwazyjny” ekspresji „genów rytmu” (które w tym przypadku sprawiały, że komórki „świeciły” rytmicznie, gdy były tam wyrażane ).
System ten umożliwił pomiar rytmów biologicznych całych populacji lub izolowanych sinic.
Rytmy luminescencji wyrażane przez te genetycznie zmodyfikowane bakterie S. elongatus dobrze odpowiadały trzem zasadniczym kryteriom rytmów okołodobowych : utrzymywaniu się 24-godzinnej oscylacji (w stałych warunkach), kompensacji temperatury i efektowi chronobiologicznemu .
W badaniach laboratoryjnych różnych gatunków Synechococcus ustalono, że bakterie prokariotyczne są zdolne do rytmiki okołodobowej, w przeciwieństwie do dogmatu, że są nim obdarzone tylko eukarionty. Ponadto komórki szczepu sinic utrzymują stabilny rytm przez kilka pokoleń, nawet przy stałym słabym oświetleniu. Jednak wciąż brakuje przekonujących dowodów na istnienie podobnych i wrodzonych „programów” okołodobowych u bakterii innych niż cyjanobakterie; możliwe, że tylko bakterie fotosyntetyczne rozwinęły tę umiejętność ze względu na ich zależność (w fotosyntezie) od światła. Niemniej jednak geny pełniące podobne funkcje mogą prawdopodobnie istnieć w innych grupach drobnoustrojów i bakterii.
Pomimo przewidywanych twierdzeń, że zegar okołodobowy nie jest wyrażany przez komórki, które duplikują się częściej niż raz na 24 godziny, chroniczność utrzymuje się u sinic hodowanych w dobrych warunkach w hodowlach, które rosną wystarczająco szybko, aby podwoić się co 5-6 godzin.
Bakterie te są nawet pozornie zdolne do jednoczesnego i precyzyjnego uwzględnienia dwóch procesów synchronizacji, które przebiegają w bardzo różnych okresach.
Ważnym pytaniem było, czy ten „endogenny chronometr” dobowy może poprawić kondycję organizmów rosnących w warunkach naturalnych.
Powszechnie uważa się, że zegary okołodobowe mogą poprawić zdolność organizmów do przystosowania się do środowiska poprzez poprawę ich zdolności do przystosowania się do głównych czynników środowiskowych, takich jak cykle dnia i nocy. W rzeczywistości wydaje się, że nie ma rygorystycznych testów na poparcie tej hipotezy (szczególnie dla tego typu organizmu).
W 2000 roku staraliśmy się przetestować możliwą wartość adaptacyjną sinic wyposażonych w najdokładniejsze zegary endogenne. Jeden z eksperymentów polegał na wyhodowaniu mieszanki różnych szczepów sinic charakteryzujących się różnymi właściwościami okołodobowymi (jedne wykazywały silną rytmiczność, inne arytmiczność, okresy rytmu też się różniły). Mieszankę tę uprawiano w środowisku umożliwiającym konkurencję między różnymi szczepami w różnych warunkach środowiskowych.
Chodziło o to, aby sprawdzić, czy faworyzowane są bakterie z działającym zegarem dobowym.
W rezultacie szczepy posiadające funkcjonalny zegar biologiczny skutecznie konkurowały ze szczepami „arytmicznymi”, ale tylko w środowiskach charakteryzujących się rytmicznym oświetleniem (np. Kultura oświetlona przez 12 godzin, a następnie trzymana w ciemności przez 12 godzin itd.).
I odwrotnie; w „stałym” środowisku (np. pożywka hodowlana utrzymywana pod nieprzerwanym sztucznym światłem) rytmiczne i arytmiczne szczepy odtwarzały się z porównywalną szybkością.
Podobnie w grupie szczepów wykazujących rytm chronobiologiczny, ale o różnych okresach, te, których endogenny „okres” najlepiej odpowiadał okresowi cyklu świecenia, wyparły szczepy, których czas trwania nie odpowiadał okresowi tego środowiska. Dlatego w silnie „rytmicznych” środowiskach, takich jak te poddane cyklom słonecznym i księżycowym, zdolność przetrwania sinic wydaje się naprawdę poprawiać, gdy ich wewnętrzny zegar jest aktywny, a nawet bardziej, gdy ich okres dobowy jest podobny do cyklu. środowisko. Ten eksperyment był jednym z pierwszych, który dostarczył dowodów na selektywną przewagę nadawaną gatunkowi przez wewnętrzny zegar okołodobowy, nawet w przypadku szybko rosnących organizmów, które dzielą się częściej niż raz dziennie.
U eukariontów 10–20% genów jest aktywowanych rytmicznie (na co wskazują cykliczne zmiany w obfitości mRNA). Jednak w przypadku cyjanobakterii znacznie wyższy udział genów jest kontrolowany przez bakteryjny zegar okołodobowy.
Bakterie S. elongatus zmodyfikowane genetycznie przez dodanie genu lucyferazy zostały wykorzystane do poszukiwania mutacji w genie (genach) odpowiedzialnych za wewnętrzny zegar, z których wiele wydaje się być wyizolowanych. Pod koniec lat 90. XX wieku badanie zmutowanych szczepów umożliwiło identyfikację grupy trzech genów, zwanych kaiA, kaiB i kaiC; „Kai” oznacza „rotację” lub „cykl liczbowy” w języku japońskim. Geny te kodują białka Kaia, Kaib i Kaic, które, jak wykazano, są niezbędne dla funkcji „zegara wewnętrznego” S. elongatus . Stanowią serce bakteryjnego oscylatora dobowego.
Nie znaleziono znaczącego podobieństwa między tymi genami kai a jakimkolwiek innym genem już zidentyfikowanym u eukariotów, ale istnieją potencjalne homologi w sekwencjach genomowych innych bakterii (zarówno u eubakterii, jak i archeonów ).
Początkowo sądzono, że wewnętrzny mechanizm zegarowy sinic to pętla sprzężenia zwrotnego podobna do transkrypcji i translacja, w której białka zegarowe samoregulują aktywność własnych promotorów poprzez podobny proces (z punktu widzenia koncepcji) do systemu. odpowiedzialny za zegary dobowe u eukariontów.
Później kilka grup wskazówek sugerowało, że transkrypcja i translacja nie były konieczne do ekspresji rytmów dobowych białek Kai. Najbardziej dramatyczną wskazówką jest to, że trzy oczyszczone białka „Kai” mogą odtworzyć w probówce oscylacje okołodobowe z kompensacją temperatury.
Szybkość, którą można zaobserwować i którą można zmierzyć in vitro, jest stanem fosforylacji białka znanego jako KaiC. To pierwszy (i jak dotąd jedyny) przykład rekonstrukcji zegara dobowego metodą in vitro .
Do chwili obecnej system okołodobowy sinic jest wyjątkowy, ponieważ jest jedynym układem okołodobowym, w którym znana jest i odtwarzalna jest struktura białek. Struktury każdego z trzech białek „Kai” (co w języku japońskim oznacza cykl ) Synechococcus elongatus określono za pomocą analizy krystalograficznej i analizy zmutowanych szczepów.
Znajomość tych trójwymiarowych struktur była jednak przydatna w wyjaśnieniu podstawowego mechanizmu zegara sinicowego, dostarczając konkretnych modeli tego, jak trzy białka Kai (A, B i C) mogą oddziaływać na siebie i wzajemnie na siebie oddziaływać.
Podejście strukturalne umożliwiło również zrozumienie i wizualizację kompleksu białek KaiA / KaiB / KaiC w funkcji czasu, co umożliwiło wyrafinowane matematyczne modelowanie szybkości fosforylacji in vitro.
Składniki wewnętrznego zegara sinic i ich interakcje można zatem teraz wizualizować w czterech wymiarach (trzy w przestrzeni, drugi reprezentujący czas), co może również otworzyć perspektywy dla komputerów biologicznych lub wyrafinowane zrozumienie dyskretnych zakłóceń sztucznego oświetlenia. w zjawisku znanym jako „zanieczyszczenie światłem”.
Od końca lat 90. XX wieku nastąpił duży postęp w wiedzy na temat elementów zegara wewnętrznego niektórych fotosyntetycznych gatunków bakterii (sinic) oraz zrozumienie i modelowanie ich interakcji. W jednej z badanych bakterii mechanizmy te można teraz wizualizować w czterech wymiarach (trzy w przestrzeni, drugi reprezentujący czas), co może również otworzyć nowe perspektywy, na przykład: