Молекулярную систему биологических часов цианобактерий удалось построить вне клеток, говорится в исследовании, опубликованном в журнале Science. Часы составили из шести белков и фрагмента ДНК с промотором, циклически меняющим свою активность. Такая система подчинялась косинусоидальным колебаниям и позволила изучить функции белков-киназ, входящих в нее. Биологические часы в лабораторных условиях удалось воссоздать впервые.

Биологические часы — это не метафора, а настоящий молекулярный путь, который совершает суточные колебания с циклом около 24 часов. Этот биологический осциллятор регулирует циклы сна и бодрствования, пищевое поведение, а также кровяное давление и концентрации гормонов. За открытие механизма работы биологических часов даже присудили Нобелевскую премию — подробнее об этом писали в материале «Ход часов лишь однозвучный».

Такие циркадные ритмы существуют не только у животных, растений и грибов, но и у цианобактерий. Биохимический осциллятор у последних включает три белка Kai (с японского — цикл): A, B и С. Эти белки передают временную информацию белкам-киназам, которые в свою очередь подавляют или активируют транскрипционный фактор — а он уже взаимодействует с ДНК и влияет на активность генов. Таким образом, биологические часы — это система, циклически изменяющая активность определенных генов, а вместе с ними — и активность бактерии.

Осцилирующая система биологических часов цианобактрий. В зависимости от фосфорилирования (голубые точки) двух аминокислот белка KaiC (оранжевый) система влияет на транскрипционный фактор RpaA (голубой) и на транскрипцию генов. Фосфорилирование меняется в зависимости от субъективного времени суток: днем транскрипция запускается, а ночью – останавливается. / Chavan et. al. / Science, 2021

Исследователи из Калифорнийского университета под руководством Арчаны Чаван (Archana G. Chavan) попробовали воссоздать биологические часы цианобактерий in vitro. Для этого к белкам системы (всем трем белкам Kai, киназам SasA, CikA и фактору транскрипции RpaA) добавили флуоресцентные метки. Кроме того, биологи использовали синтетический фрагмент ДНК, представляющий оперон биологических часов. Когда компоненты взаимодействовали друг с другом, флуоресцентные метки изменяли свечение, интенсивность которого изменяли при помощи ридера флуоресценции.

Оказалось, данные экспериментов действительно подчиняются косинусоидальной функции с периодом примерно в 24 часа, где пик активации фактора транскрипции приходился где-то на 14 часов. По полученным данным исследователи проанализировали функции белков SasA и CikA в передаче сигнала от трех Kai к транскрипционному фактору. Они показали, что эти белки выполняют не только функцию передатчиков, но и участвуют в колебаниях осциллятора: при добавлении SasA смесь из KaiA, KaiB и KaiС начала показывать циклические изменения в связывании фактора транскрипции RpaA с ДНК (то есть в активности генов в бактерии). Оказалось, SasA рекрутирует KaiB к гексамеру KaiС, чем активирует колебания. CikA также восстанавливал колебания в низких концентрациях KaiA.

Воссоздать модель биологических часов вне живой клетки удалось впервые. Исследователи считают, что такой механизм позволит подробнее изучить физиологические эффекты, которые зависят от времени суток. В дальнейшем биологи предлагают имплантировать такие часы в искусственные клетки, чтобы контролировать не только сам осциллятор, но и процессы транскрипции и синтеза белка.