A bakteriális cirkadián ritmusok , mint a többi cirkadián ritmusok is endogének .
Nemrégiben felfedezték, ezek annak a megnyilvánulása, amit cirkadián , biológiai vagy belső órának hívunk .
A biológiai folyamatok koordinációja és időbeli optimalizálása, valamint a napi ingadozásokhoz való alkalmazkodás fontos szerepet játszik a legtöbb szervezet túlélésében.
Az 1980- as évek közepéig úgy gondolták, hogy az endogén cirkadián ritmusnak csak az eukarióta sejtek profitálnak, de a cianobaktériumoknak (az Eubacteria fehéz fotoszintetikus baktériumai ) azóta kimutatták, hogy ritmusrendszerük is van. ritmus (lásd alább).
Ezekben a baktériumokban három kulcsfontosságú fehérje, amelynek szerkezete ma már ismert, képes alkotni a gének globális expresszióját vezérlő vagy hangszerelő molekuláris óra megfelelőjét, és amelyek akár in vitro (feltéve, hogy rendelkezésre áll ATP) " oszcillátorként " viselkedhetnek .
Ez a rendszer lehetővé teszi, hogy ezek a baktériumok jobban megfeleljenek a nagy környezeti ritmusoknak, amelyek a nappali / éjszakai ciklusoknak kitett ökoszisztémákat jellemzik.
A biológus számára az "igazi" cirkadián ritmusnak (a szervezet természetes környezetének normális határain belül) három tulajdonságot kell mutatnia:
Vannak prokarióták képes a cirkadián ritmust? Az 1980-as évek közepe előtt ez valószínűtlennek tűnt, különösen azért, mert nem volt világos, hogy az endogén ritmus és különösen a 12 vagy 24 órás periodizmus mennyire lenne hasznos a látszólag "egyszerű" és primitív fajoknak, ugyanolyan, mint az ideális körülmények között naponta többször képesek szaporodni. Más szavakkal: "Miért van egy belső óra, amely az életciklusánál hosszabb időt és ciklust mutat?" " Ennek a kérdésnek valójában nincs értelme, mert ezek a baktériumok egysejtűek és lényegében egyszerű osztódással, nem pedig nemi szaporodás útján szaporodnak .
Valójában egy nagy baktériumpopuláció összehasonlítható egy növekvő protoplazmával , amelyet néha " szuperorganizmusnak " is tekintenek ; ebben az összefüggésben egy 12 vagy 24 órás időbeli program valójában javíthatja e baktériumok illeszkedését ritmikus környezetben nappali változások / éjszaka, valamint a hőmérséklet és a fényintenzitás változásai által. Ez utóbbiak valóban különösen fontosak a fotoszintetikus baktériumok számára .
A 1985-ben - a 86 , számos tudományos csapat felfedezett cianobaktériumok napi ritmus nitrogénkötő , invariáns körülmények között konstans könnyű vagy konstans sötétségben.
Huang és munkatársai elsőként mutattak be a Synechococcus sp . Cianobaktériumokon . RF-1 ( édesvízben élő baktériumok ) cirkadián ritmus . 1986-ból megjelent cikkekben a cirkadián ritmus három fő jellemzőjét egyetlen szervezetben írták le. Egy másik alapító tanulmány Sweeney és Borgese tanulmánya. ez a csapat elsőként mutatta be a napi ritmus hőmérséklet-kompenzálását a tengeri cianobaktériumban, a Synechococcus WH7803-ban.
Akkor még csak két „cirkadián” gént lehetett jellemezni; az első a Drosophilában töltött időszakért , a második a Neurospora crassa frekvenciáért volt felelős . Egy másik gént azonosítottak egy évvel később a légyben, több évvel azelőtt, hogy az első gént felfedezték egy emlősnél. Az 1980-as években még mindig azt lehetett gondolni, hogy minden életforma ugyanazt a belső óramechanizmust alkalmazza, mivel az összes ismert faj az ATP- t használja az energiatároláshoz, a DNS-t pedig a nagy mennyiségű energia tárolásához. Valójában nem az, és úgy tűnik, hogy az evolúció az egyes uralkodásokon belül különböző megoldásokat dolgozott ki.
A korai 1990-es években, volt egy genetikailag módosított törzs a cianobaktérium Synechococcus elongatus beiktatásával azt egy gént a luciferáz . Ez a gén lehetővé tette az időbeli és kvantitatív követést, nagy pontossággal és „nem invazív” módon a „ritmusgének” kifejezését (amely ebben az esetben a sejteket ritmikusan „ragyogta”, amikor ott kifejeződtek) ).
Ez a rendszer lehetővé tette teljes populációk vagy izolált cianobaktériumok biológiai ritmusának mérését.
Ezen genetikailag módosított S. elongatus baktériumok által expresszált lumineszcencia ritmusok jól reagáltak a cirkadián ritmus három alapvető kritériumára : a 24 órás oszcilláció fennmaradására (állandó körülmények között), a hőmérséklet kompenzálására és a kronobiológiai hatásra .
A Synechococcus különféle fajtáinak laboratóriumi vizsgálata szilárdan megállapította, hogy a prokarióta baktériumok képesek a cirkadián ritmusra, ellentétben azzal a dogmával, hogy csak az eukarióták vannak felruházva vele. Ezenkívül a cianobaktériumok egy törzsének sejtjei több generáció alatt is stabilan fenntartják ritmusukat, állandó gyenge fény mellett is. A cianobaktériumoktól eltérő baktériumok esetében azonban még mindig nem állnak rendelkezésre meggyőző bizonyítékok hasonló és veleszületett cirkadián „programok" létezésére ; lehetséges, hogy csak fotoszintetikus baktériumok fejlesztették ki ezt a képességet a fénytől való függőségük miatt (fotoszintézishez). Ennek ellenére a hasonló funkciókat betöltő gének létezhetnek a mikrobák és baktériumok más csoportjaiban is.
Annak ellenére, hogy a prediktív állítások szerint a cirkadián órát nem expresszálják azok a sejtek, amelyek 24 órán belül gyakrabban duplikálnak, a krónikus állapot fennmarad a jó körülmények között nevelt cianobaktériumokban olyan kultúrákban, amelyek elég gyorsan növekednek ahhoz, hogy 5-6 óránként megduplázódjanak.
Ezek a baktériumok még nyilvánvalóan képesek egyszerre és pontosan figyelembe venni két nagyon különböző időszakban beállított szinkronizációs folyamatot.
Fontos kérdés volt, hogy ez a cirkadián "endogén kronométer" javíthatja-e a természetes körülmények között növekvő organizmusok alkalmasságát .
Általában úgy gondolják, hogy a cirkadián órák javíthatják az organizmusok alkalmazkodási képességét a környezettel azáltal, hogy javítják alkalmazkodási képességüket a fő környezeti tényezőkhöz, például a nappali-éjszakai ciklusokhoz. A valóságban úgy tűnt, hogy nem voltak szigorú tesztek ennek a hipotézisnek az alátámasztására (különösen az ilyen típusú szervezetek esetében).
A 2000-es években a cianobaktériumok lehetséges adaptív értékét próbáltuk kipróbálni a legpontosabb endogén órákkal ellátva. Az egyik kísérlet a különböző cianobaktérium-törzsek keverékének tenyésztéséből állt, amelyekre különféle cirkadián tulajdonságok voltak jellemzőek (egyesek erős ritmusosságot mutattak, mások ritmusosságot mutattak, a ritmus periódusai is változtak). Ezt a keveréket olyan környezetben termesztették, amely lehetővé tette a versenyt a különböző törzsek között, különböző környezeti körülmények között.
Az ötlet az volt, hogy megnézzék, előnyben vannak-e a működő cirkadián órával rendelkező baktériumok.
Az eredmény az volt, hogy a funkcionális biológiai órával rendelkező törzsek hatékonyan versenyeztek az „aritmikus” törzsekkel, de csak ritmikus megvilágítással jellemzett környezetben (például 12 órán át megvilágított kultúra, majd 12 órán át sötétben tartották stb.).
Fordítva; "állandó" környezetben (pl. megszakítás nélküli mesterséges fény alatt tartott táptalajban) a ritmikus és aritmikus törzsek összehasonlítható sebességgel reprodukálódtak.
Hasonlóképpen, a kronobiológiai ritmust mutató, de eltérő periódusú törzsek csoportján belül azok, amelyek endogén "periódusa" a legjobban megfelelt a megvilágítási ciklus időszakának, kiszorították azokat a törzseket, amelyek időtartama nem felelt meg ennek a környezetnek. Ezért erősen "ritmikus" környezetben , például a nap- és a holdcikluson átesett környezetben a cianobaktériumok túlélési képessége úgy tűnik, hogy valóban javul, ha belső órájuk aktív, és még inkább, ha a cirkadián periódusuk hasonló a cikluséhoz. környezet. Ez a kísérlet az elsők között bizonyította, hogy egy fajnak a cirkadián belső óra biztosítja a szelektív előnyt, még a gyorsan növekvő organizmusok számára is, amelyek naponta többször osztódnak.
Az eukariótákban a gének 10-20% -a aktiválódik ritmikusan (ezt mutatják az mRNS-bőség ciklikus variációi). A cianobaktériumoknál azonban a gének jóval nagyobb hányadát a baktériumok cirkadián órája szabályozza.
A luciferáz gén hozzáadásával genetikailag módosított S. elongatus baktériumokat használtak a belső óráért felelős gén (ek) mutációinak keresésére, amelyek közül sok látszólag izolálódott. Az 1990-es évek végén a mutáns törzsek vizsgálata lehetővé tette három génből álló csoport azonosítását, az úgynevezett kaiA, kaiB és kaiC; „Kai” jelentése japánul „forgatás” vagy „számciklus”. Ezek a gének a Kaia, Kaib és Kaic fehérjéket kódolják, amelyekről kiderült, hogy nélkülözhetetlenek a S. elongatus "belső órájának" működéséhez . Ezek alkotják a bakteriális cirkadián oszcillátor szívét.
Nem találtunk szignifikáns hasonlóságot ezeknek a kai géneknek és az eukariótákban már azonosított bármely más génnek, de potenciális homológok vannak más baktériumok genomiális szekvenciáiban (mind az eubacteriumokban, mind az Archaea-ban ).
Először azt hitték, hogy a cianobaktériumok belső óraműködési mechanizmusa egy transzkripciószerű visszacsatolási hurok és transzláció volt, ahol az órafehérjék hasonló szabályozással (a koncepció szempontjából) önszabályozzák saját promótereik aktivitását. felelős a cirkadián órákért az eukariótákban.
Később több nyomfürt azt sugallta, hogy a Kai fehérjék cirkadián ritmusának kifejeződéséhez nincs szükség transzkripcióra és transzlációra. A legdrámaibb nyom, hogy a három tisztított "Kai" fehérje képes helyreállítani a hőmérséklet-kompenzált cirkadián oszcillációt egy kémcsőben.
Az arány, amely megfigyelhető, és amely mérhető in vitro , hogy az állam a foszforiláció a fehérje nevezett KaiC. Ez az első (és eddig egyetlen) példa a cirkadián óra in vitro rekonstrukciójára .
A cianobaktériumok cirkadián rendszere a mai napig egyedülálló, mivel ez az egyetlen cirkadián rendszer, amelyben az érintett fehérjeszerkezet ismert és reprodukálható. A Synechococcus elongatus három „Kai” fehérjéjének (jelentése japánul ciklusnak ) szerkezetét kristálytani elemzéssel és mutált törzsek elemzésével határoztuk meg.
E háromdimenziós struktúrák ismerete mindazonáltal hasznos volt a cianobaktérium óra alapmechanizmusának tisztázásában, konkrét modelleket szolgáltatva arról, hogy a három Kai fehérje (A, B és C) hogyan tudnak kölcsönhatásba lépni és befolyásolni egymást.
A strukturális megközelítés lehetővé tette a KaiA / KaiB / KaiC fehérjekomplexum megértését és vizualizálását is az idő függvényében, amely lehetővé tette a foszforiláció sebességének kifinomult matematikai modellezését in vitro.
A cianobaktériumok belső órájának alkotóelemei és kölcsönhatásaik tehát mostantól négy dimenzióban (három térben, a másik az időt ábrázolva) vizualizálhatók, amelyek talán perspektívákat is nyithatnak a biológiai számítógépek számára, vagy a mesterséges megvilágítás diszkrét zavarainak finomabb megértése. a "fényszennyezés" néven ismert jelenségben.
Az 1990-es évek vége óta számos fotoszintetikus baktériumfaj (cianobaktérium) belső órájának összetevőinek ismerete, valamint kölcsönhatásaik megértése és modellezése sokat fejlődött. Az egyik vizsgált baktériumnál ezek a mechanizmusok mostantól négy dimenzióban vizualizálhatók (három térben, a másik az időt ábrázolja), amelyek új perspektívákat is nyithatnak, például: