153
Эти анобактерии используют принцип, похожий на AM-радио, для координации разделения клеток с циркадными ритмами, кодируя информацию посредством модуляции амплитуды импульса. Было обнаружено, что цианобактерии, древняя группа фотосинтезирующих бактерий, регулируют свои гены, используя тот же физический принцип, который используется в AM-радиопередаче.
Новое исследование, опубликованное в Current Biology, обнаружило, что цианобактерии используют вариации амплитуды (силы) импульса для передачи информации в отдельных клетках. Это открытие проливает свет на то, как биологические ритмы работают вместе, чтобы регулировать клеточные процессы.
В AM (амплитудная модуляция) радиоволна постоянной силы и частоты, которая называется несущей, генерируется колебанием электрического тока. Аудиосигнал, содержащий информацию (например, музыку или язык) для передачи, накладывается на несущую волну. Это делается путём изменения амплитуды несущей волны в соответствии с частотой звукового сигнала.
Исследовательская группа под руководством профессора Джеймса Локка из Лаборатории Сейнсбери Кембриджского университета (SLCU) и доктора Бруно Мартинса из Университета Уорвика обнаружила, что подобный механизм, похожий на AM-радио, работает в цианобактериях.
В цианобактерии цикл деления клетки, процесс, во время которого одна клетка растет и делится на две новые клетки, действует как «носитель сигнала». Затем модулирующий сигнал поступает от 24-часовых циркадных часов бактерии, действующих как внутренний механизм отсчета времени.
Разгадывание древней клеточной головоломки
Это открытие отвечает на древний вопрос в клеточной биологии – как клетки интегрируют сигналы от двух колебательных процессов – клеточного цикла и циркадного ритма – работающих на разных частотах? До сих пор было непонятно, как эти два цикла могут быть скоординированы.
Чтобы решить головоломку, исследовательская группа использовала замедленную одноклеточную микроскопию и математическое моделирование. Посредством замедленной микроскопии они отследили экспрессию белка, альтернативного сигма-фактору RpoD4. RPoD4 играет важную роль в инициации транскрипции, которая является процессом, посредством которого генетическая информация из ДНК транскрибируется в РНК. Моделирование позволило исследователям изучить механизмы обработки сигналов, сравнивая результаты моделирования с данными микроскопии. Команда обнаружила, что RpoD4 включается в импульсы, возникающие только при разделении клетки, что делает его идеальным кандидатом для отслеживания.
Ведущий автор доктор Чао Е пояснил: «Мы обнаружили, что циркадные часы определяют, насколько сильны эти импульсы со временем. Используя эту стратегию, клетки могут кодировать информацию о двух колебательных сигналах в одном выходе: информацию о клеточном цикле в частоте пульсации и информацию о 24-часовых часах в силе пульсации. Это первый раз, когда мы наблюдаем циркадные часы, использующие модуляцию амплитуды импульса, концепцию, обычно связанную с технологией связи, для контроля биологических функций».
Последствия выводов
«Изменение частоты клеточного цикла из-за окружающего освещения или циркадных часов через генетические мутации подтвердило основной принцип. Впечатляюще видеть в природе примеры того, что мы иногда считаем «нашими» инженерными правилами», – сказал соавтор доктор Мартинс. "Линия цианобактерий развилась 2,7 миллиарда лет назад и имеет элегантное решение этой проблемы обработки информации".
Профессор Локк добавил: «Одна из причин, почему мы изучаем цианобактерии, состоит в том, что они имеют самые простые циркадные часы любого организма, поэтому понимание этого закладывает фундамент, который нам нужен для понимания часов в более сложных организмах, таких как люди и сельскохозяйственные культуры
«Эти принципы могут иметь более широкие последствия в синтетической биологии и биотехнологии. Например, это может помочь нам выращивать культуры, которые более устойчивы к изменению условий окружающей среды, что будет иметь последствия для сельского хозяйства и устойчивого развития».
