Μια νέα μελέτη από Ιάπωνες επιστήμονες αποκαλύπτει τον μηχανισμό με τον οποίο το βιολογικό ρολόι διατηρεί σταθερό ρυθμό 24 ωρών, παρά τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος. Η έρευνα, με επικεφαλής τον Gen Kurosawa από το Κέντρο RIKEN για Διεπιστημονικές Θεωρητικές και Μαθηματικές Επιστήμες (iTHEMS), δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό PLOS Computational Biology.
Το εντυπωσιακό εύρημα είναι ότι η σταθερότητα αυτή επιτυγχάνεται μέσω μιας λεπτοφυούς μεταβολής στο “σχήμα” των ρυθμών γονιδιακής δραστηριότητας σε υψηλότερες θερμοκρασίες – μια διαδικασία γνωστή ως παραμόρφωση κυματομορφής (waveform distortion).
Πώς γνωρίζει το σώμα μας πότε να κοιμηθούμε;
Η απάντηση βρίσκεται στον κιρκάδιο ρυθμό, δηλαδή το εσωτερικό βιολογικό ρολόι που ρυθμίζει κύκλους ύπνου-αφύπνισης, ορμονικές εκκρίσεις, θερμοκρασία σώματος και πολλές άλλες λειτουργίες με βάση έναν κύκλο περίπου 24 ωρών. Ωστόσο, ενώ οι περισσότερες χημικές αντιδράσεις επιταχύνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας, το βιολογικό ρολόι παραμένει απίστευτα σταθερό. Αυτό δημιούργησε επί δεκαετίες ένα επιστημονικό μυστήριο: πώς διατηρείται η ακρίβεια του ρολογιού, όταν το σώμα εκτίθεται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, όπως π.χ. η καλοκαιρινή ζέστη ή το ψύχος του κλιματισμού;
Η απάντηση βρίσκεται στα μαθηματικά και στη φυσική
Η ομάδα του Kurosawa, σε συνεργασία με επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Κιότο, χρησιμοποίησε θεωρητική φυσική και συγκεκριμένα τη μέθοδο της ομάδας ανακανονικοποίησης (renormalization group method), για να αναλύσει τα μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν τους ρυθμούς παραγωγής και μείωσης του mRNA – του μορίου που αποτελεί το «μήνυμα» για την παραγωγή πρωτεϊνών. Η ρυθμική αύξηση και μείωση των επιπέδων mRNA είναι το «εκκρεμές» που κινεί το βιολογικό ρολόι.
Όπως η ταλάντωση ενός εκκρεμούς περιγράφεται μαθηματικά με ημιτονοειδείς κυματομορφές, έτσι και τα επίπεδα mRNA ακολουθούν παρόμοιες καμπύλες. Η θεωρητική ανάλυση έδειξε ότι σε υψηλότερες θερμοκρασίες, τα επίπεδα mRNA αυξάνονται γρηγορότερα αλλά μειώνονται πιο αργά, ενώ ο συνολικός κύκλος παραμένει σταθερός στις 24 ώρες. Το γράφημα αυτής της λειτουργίας δείχνει μια ασύμμετρη, “παραμορφωμένη” κυματομορφή, σε αντίθεση με τη συμμετρική σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.
Από τη θεωρία στην πράξη
Για να επαληθεύσουν την ακρίβεια του μοντέλου τους, οι ερευνητές ανέλυσαν δεδομένα από πειράματα σε μύγες και ποντίκια. Όπως προέβλεψε η θεωρία, σε υψηλότερες θερμοκρασίες παρατηρήθηκαν οι αναμενόμενες παραμορφώσεις στις κυματομορφές mRNA, επιβεβαιώνοντας ότι ο μηχανισμός λειτουργεί και στη φύση. Οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η παραμόρφωση κυματομορφής είναι το “κλειδί” για την αντιστάθμιση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό ρολόι. Συγκεκριμένα, ο ρυθμός μείωσης των επιπέδων mRNA επιβραδύνεται, διατηρώντας σταθερό τον συνολικό κύκλο.
Σταθερότητα και συγχρονισμός με το περιβάλλον
Το φαινόμενο αυτό δεν επηρεάζει μόνο τη σταθερότητα του βιολογικού ρολογιού. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η παραμόρφωση κυματομορφής επηρεάζει επίσης την ικανότητα συγχρονισμού με τα εξωτερικά ερεθίσματα, όπως είναι το φως και το σκοτάδι. Όσο πιο παραμορφωμένη γίνεται η κυματομορφή, τόσο πιο “ανθεκτικό” γίνεται το ρολόι σε εξωτερικές διαταραχές, όπως είναι οι αλλαγές στο φως ή οι ασύμμετροι ρυθμοί ύπνου της σύγχρονης ζωής. Η πρόβλεψη αυτή ταυτίζεται με παρατηρήσεις σε μύκητες και μύγες και είναι ιδιαίτερα σημαντική για τον σύγχρονο άνθρωπο, που εκτίθεται συνεχώς σε τεχνητό φως και ακανόνιστο ωράριο.
Το μέλλον της έρευνας
«Τα ευρήματά μας δείχνουν ότι η παραμόρφωση κυματομορφής είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση της ακρίβειας και του συγχρονισμού του βιολογικού ρολογιού, ακόμη και όταν αλλάζει η θερμοκρασία», εξηγεί ο Kurosawa. Σύμφωνα με τους ερευνητές, επόμενα βήματα θα είναι η αναγνώριση των μοριακών μηχανισμών που προκαλούν την επιβράδυνση της πτώσης των επιπέδων mRNA. Επιπλέον, επιδιώκουν να εξερευνήσουν πώς διαφέρει αυτή η παραμόρφωση μεταξύ ειδών ή ακόμη και μεταξύ ατόμων, δεδομένου ότι η ηλικία ή οι γενετικές διαφορές ενδέχεται να επηρεάζουν τον ρυθμό των βιολογικών ρολογιών.
Προς κατανόηση των διαταραχών ύπνου και όχι μόνο
Στο μέλλον, ο βαθμός παραμόρφωσης της κυματομορφής στα “ρολογιακά” γονίδια θα μπορούσε να αποτελέσει βιοδείκτη για διαταραχές ύπνου, jet lag ή τις επιπτώσεις της γήρανσης στους κιρκάδιους ρυθμούς. «Ίσως», σημειώνει ο Kurosawa, «η κατανόηση αυτών των παραμορφώσεων αποκαλύψει καθολικά πρότυπα σε όλους τους κυκλικούς ρυθμούς – όχι μόνο στη βιολογία, αλλά και σε άλλα συστήματα που λειτουργούν με περιοδικότητα».
Βρείτε μας στο Google News. Πατήστε εδώ!