به گزارش صدای شهر دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا در مرسد موفق شدند سلول‌های مصنوعی کوچکی طراحی کنند که با دقت بالا قادر به اندازه‌گیری زمان هستند و همانند چرخه‌های شبانه‌روزی طبیعی در موجودات زنده عمل می‌کنند. این پیشرفت علمی درک عمیق‌تری از نحوه پایداری ساعت زیستی در برابر نویز‌های مولکولی ارائه می‌دهد.
به گزارش Nature Communications این پژوهش زیر نظر آناند بالا سوبرامانیام از گروه مهندسی زیستی و اندی لی‌وانگ از گروه شیمی و بیوشیمی انجام شده است. نویسنده اصلی مقاله الکساندر ژانگ تو لی است که دوره دکترای خود را تحت راهنمایی سوبرامانیام به پایان رسانده است.
بازسازی ساعت زیستی در سلول‌های مصنوعی
ساعت‌های زیستی یا ریتم‌های شبانه‌روزی سامانه‌هایی درونی هستند که چرخه‌های ۲۴ ساعته حیاتی مانند خواب، سوخت‌وساز و سایر عملکرد‌های بدن را تنظیم می‌کنند. تیم پژوهشی برای بررسی عملکرد این ریتم‌ها در سیانوباکتر‌ها (نوعی باکتری فتوسنتزکننده)، سازوکار زمانی آنها را در ساختار‌های سلولی ساده‌شده‌ای به‌نام وزیکول بازسازی کردند.
در این سلول‌های مصنوعی مجموعه‌ای از پروتئین‌های اصلی سازنده ساعت زیستی جای‌گذاری شد و یکی از این پروتئین‌ها با نشانگر فلورسانس علامت‌گذاری شد تا فعالیت زمانی قابل مشاهده باشد. نتایج نشان داد این سلول‌های مهندسی‌شده برای دست‌کم چهار روز، سیگنال نوری منظمی با چرخه ۲۴ ساعته منتشر می‌کنند.
با این حال کاهش غلظت پروتئین‌های ساعت یا کوچک‌تر شدن اندازه وزیکول‌ها باعث اختلال در این چرخه نوری می‌شد. این تغییرات به شکلی قابل پیش‌بینی و یکنواخت منجر به از بین رفتن ریتم شبانه‌روزی می‌شدند.
مدلی برای پایداری ساعت زیستی
برای تبیین یافته‌ها پژوهشگران یک مدل رایانه‌ای طراحی کردند. این مدل نشان داد که هرچه غلظت پروتئین‌های ساعت بیشتر باشد پایداری آن نیز افزایش می‌یابد. این موضوع به هزاران وزیکول اجازه می‌دهد تا با وجود تفاوت‌های جزئی در مقدار پروتئین زمان را با دقت حفظ کنند.
این مدل همچنین بیان می‌کند که یکی دیگر از اجزای سامانه شبانه‌روزی طبیعی که مسئول روشن و خاموش کردن ژن‌هاست نقشی در حفظ زمان‌بندی ساعت‌های منفرد ندارد، اما برای هماهنگی زمانی در میان جمعیت سلول‌ها ضروری است.
یکی از نکات قابل توجه در این مطالعه آن است که برخی از پروتئین‌های ساعت تمایل دارند به دیواره وزیکول‌ها بچسبند که این موضوع لزوم استفاده از مقدار بالای پروتئین را برای عملکرد صحیح سیستم نشان می‌دهد.
به گفته سوبرامانیام: این مطالعه نشان می‌دهد که می‌توانیم اصول بنیادی زمان‌سنجی زیستی را با استفاده از سامانه‌های مصنوعی و ساده‌شده بررسی و درک کنیم.
ابزار جدید برای پژوهش در زیست‌سنجی زمانی
به گفته مینگ‌شو فنگ استاد میکروبیولوژی در دانشگاه ایالتی اوهایو و متخصص ساعت‌های زیستی این پژوهش افق‌های جدیدی در مطالعه دقیق ریتم‌های شبانه‌روزی گشوده است.
وی توضیح می‌دهد: ساعت شبانه‌روزی در سیانوباکتر‌ها به واکنش‌های زیستی آهسته‌ای متکی است که ذاتا پر از نویز هستند و پیش‌تر فرض شده بود که برای مقابله با این نویز باید تعداد زیادی پروتئین ساعت در سلول وجود داشته باشد.
او ادامه می‌دهد: این مطالعه روش جدیدی برای مشاهده واکنش‌های ساعت زیستی بازترکیب‌شده درون وزیکول‌های قابل تنظیم از نظر اندازه ارائه می‌دهد که ابعادی شبیه سلول‌های واقعی دارند. این ابزار قدرتمند امکان آزمایش مستقیم این فرضیه را فراهم می‌کند که چرا موجوداتی با اندازه سلولی متفاوت ممکن است استراتژی‌های زمانی متفاوتی را اتخاذ کنند؛ بنابراین این تحقیق فهم ما از سازوکار‌های زمان‌سنجی زیستی در گونه‌های مختلف را عمیق‌تر می‌سازد.
انتهای پیام/
Source link
