Искусственные клетки научились отсчитывать время, имитируя биологические часы

Команда исследователей из Калифорнийского университета в Мерседе продемонстрировала, что крошечные искусственные клетки способны точно отсчитывать время, подражая суточным ритмам живых организмов. Это открытие проливает свет на то, как биологические часы сохраняют точность, несмотря на присущий клеткам молекулярный «шум».

В ходе исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, ученые воссоздали часовой механизм цианобактерий в упрощенных клетоподобных структурах – везикулах. Их наполнили ключевыми белками-часами, один из которых был помечен флуоресцентным маркером. В результате искусственные клетки начали светиться в регулярном 24-часовом ритме, который сохранялся не менее четырех дней.

Эксперимент показал, что при уменьшении количества белков-часов или размера самих везикул ритмичное свечение прекращалось. Причем потеря ритма происходила по воспроизводимому сценарию. Для объяснения этих наблюдений команда разработала компьютерную модель. Моделирование показало, что часы становятся более устойчивыми при высоких концентрациях белков, что позволяет тысячам везикул надежно отсчитывать время – даже при небольших различиях в количестве белков между ними.

Модель также выявила, что компонент природной системы, отвечающий за включение и выключение генов, не играет решающей роли в поддержании работы отдельных часов, но необходим для синхронизации времени в целой популяции клеток. Ученые также отметили, что некоторые белки-часы имеют тенденцию прилипать к стенкам везикул, что делает высокое общее количество белков необходимым для поддержания правильной работы механизма.

«Это исследование показывает, что мы можем анализировать и понимать основные принципы биологического хронометража, используя упрощенные синтетические системы», – отметил один из руководителей проекта, профессор Ананд Бала Субраманиам. Его коллега, профессор микробиологии из Университета штата Огайо Минсю Фанг, назвал эту работу прорывом в методологии изучения биологических часов.

«Циркадные часы цианобактерий основаны на медленных и “шумных” биохимических реакциях, и предполагалось, что для подавления этого шума нужно большое количество белков-часов, – пояснил Фанг. – Новое исследование представляет мощный инструмент, который позволяет напрямую проверить, как и почему организмы с клетками разных размеров могут использовать различные стратегии отсчета времени, тем самым углубляя наше понимание этих механизмов у разных форм жизни».