361
Ціанобактерії використовують принцип, схожий на AM-радіо, для координації поділу клітин із циркадними ритмами, кодуючи інформацію за допомогою модуляції амплітуди імпульсу. Було виявлено, що ціанобактерії, стародавня група фотосинтезуючих бактерій, регулюють свої гени, використовуючи той самий фізичний принцип, який використовується в AM-радіопередачі.
Нове дослідження, опубліковане в Current Biology, виявило, що ціанобактерії використовують варіації амплітуди (сили) імпульсу для передачі інформації в окремих клітинах. Це відкриття проливає світло на те, як біологічні ритми працюють разом, щоб регулювати клітинні процеси.
У AM (амплітудна модуляція) радіо хвиля постійної сили та частоти, яка називається несучою, генерується коливанням електричного струму. Аудіосигнал, який містить інформацію (наприклад, музику чи мову) для передачі, накладається на несучу хвилю. Це робиться шляхом зміни амплітуди несучої хвилі відповідно до частоти звукового сигналу.
Дослідницька група під керівництвом професора Джеймса Локка з Лабораторії Сейнсбері Кембриджського університету (SLCU) і доктора Бруно Мартінса з Університету Ворвіка виявила, що подібний механізм, схожий на AM-радіо, працює в ціанобактеріях.
У ціанобактерій цикл поділу клітини, процес, під час якого одна клітина росте та ділиться на дві нові клітини, діє як «носій сигналу». Потім модулюючий сигнал надходить від 24-годинного циркадного годинника бактерії, який діє як внутрішній механізм відліку часу.
Розгадування давньої клітинної головоломки
Це відкриття відповідає на давнє питання в клітинній біології – як клітини інтегрують сигнали від двох коливальних процесів – клітинного циклу та циркадного ритму – які працюють на різних частотах? Досі було незрозуміло, як ці два цикли можуть бути скоординовані.
Щоб вирішити головоломку, дослідницька група використовувала одноклітинну сповільнену мікроскопію та математичне моделювання. За допомогою сповільненої мікроскопії вони відстежили експресію білка, альтернативного сигма-фактора RpoD4. RPoD4 відіграє важливу роль в ініціації транскрипції, яка є процесом, за допомогою якого генетична інформація з ДНК транскрибується в РНК . Моделювання дозволило дослідникам вивчити механізми обробки сигналів, порівнюючи результати моделювання з даними мікроскопії. Команда виявила, що RpoD4 включається в імпульси, які виникають лише під час поділу клітини, що робить його ідеальним кандидатом для відстеження.
Провідний автор доктор Чао Є пояснив: «Ми виявили, що циркадний годинник визначає, наскільки сильні ці імпульси з часом. Використовуючи цю стратегію, клітини можуть кодувати інформацію про два коливальні сигнали в одному виході: інформацію про клітинний цикл у частоті пульсації та інформацію про 24-годинний годинник у силі пульсації. Це перший раз, коли ми спостерігаємо циркадний годинник, який використовує модуляцію амплітуди імпульсу, концепцію, яка зазвичай пов’язана з технологією зв’язку, для контролю біологічних функцій».
Наслідки висновків
«Зміна частоти клітинного циклу через навколишнє освітлення або циркадного годинника через генетичні мутації підтвердила основний принцип. Вражаюче бачити в природі приклади того, що ми іноді вважаємо «нашими» інженерними правилами», – сказав співавтор доктор Мартінс. «Лінія ціанобактерій розвинулась 2,7 мільярда років тому і має елегантне рішення цієї проблеми обробки інформації».
Професор Локк додав: «Одна з причин, чому ми вивчаємо ціанобактерії, полягає в тому, що вони мають найпростіший циркадний годинник будь-якого організму, тому розуміння цього закладає фундамент, який нам потрібен для розуміння годинників у більш складних організмах, таких як люди та сільськогосподарські культури.
«Ці принципи можуть мати ширші наслідки в синтетичній біології та біотехнології. Наприклад, це може допомогти нам вирощувати культури, які є більш стійкими до змін умов навколишнього середовища, що матиме наслідки для сільського господарства та сталого розвитку».
