Každý počítač má svoje vnútorné hodiny, podľa ktorých sa riadia rôzne procesy pri spracovaní informácií. Podobný účel majú i biologické vnútorné hodiny živých organizmov. Nezaobídu sa bez nich jednoduché bunky, rovnako ako človek. Vedci z americkej Vanderbilt University nedávno objasnili základné princípy ich fungovania na vnútrobunkovej úrovni.
Biologické hodiny majú v organizme viacero dôležitých funkcií, z ktorých mnohé doteraz ešte nie sú známe. Pokazený hodinový mechanizmus buniek či celých jedincov môže spôsobovať závažné ochorenia. Ľudia, ktorí cestujú lietadlom na veľké vzdialenosti naprieč časovým pásmom, dobre poznajú nepríjemné dôsledky vybočenia zo zaužívaných časových stereotypov. Lekári vedia, že poruchy vnútorných hodín majú na svedomí sezónne zhoršovanie chronických chorôb, niektoré druhy depresií, poruchy spánku a ďalšie problémy. Podľa posledných štúdií nemožno vylúčiť, že existuje akási súvislosť medzi zlou funkciou vnútorných biorytmov a niektorými druhmi rakoviny.
Jednoduchšie, než sa očakávalo
Zásadný prelom vo výskume mechanizmu riadiaceho biorytmu znamenal rok 2005. Japonskí vedci vtedy skúmali molekuly bielkovín, ktoré získali z morských rias. Išlo o zlúčeniny, ktoré vedci podozrievali z toho, že v bunkách plnia úlohu biologických hodín. Zistili, že keď k nim pridajú molekuly adenosintrifosfátu (ATP), začnú v nich prebiehať cyklické procesy i v laboratórnych podmienkach -- mimo živého organizmu. ATP je jednou z najdôležitejších zlúčenín v bunkách, pretože plní úlohu prenášača energie. Jeho pridanie k niektorým bielkovinám má podobný efekt, ako keď do digitálnych hodín vložíte batériu.
"Veľmi nás to prekvapilo, netušili sme, že je to také jednoduché," komentoval tento objav profesor biológie Carl Johnson z Vanderbilt Univerzity. "Dovtedy sme si všetci mysleli, že mechanizmus je oveľa zložitejší a že biologické hodiny si berú energiu či informácie priamo z genetického materiálu bunky." Carl Johnson a jeho kolegovia z univerzity urobili ďalší významný krok. Odhalili základný mechanizmus fungovania biologických hodín na vnútrobunkovej úrovni.
Podarilo sa im to vďaka medziodborovej spolupráci -- v Johnsonovom tíme boli biochemici, biofyziológovia, farmakológovia, experti na elektrónovú mikroskopiu, matematik a ďalší odborníci.
Jeden deň bunky
Americký tím nadviazal na pokusy Japoncov a v laboratórnych podmienkach skúmal bielkovinové molekuly označené ako KaiA, KaiB a KaiC. Cieľom ich práce bolo zistiť, sekundu po sekunde, čo sa s nimi deje počas celého 24- hodinového cyklu.
Vedci zistili, že kľúčovú úlohu má molekula KaiC. K nej sa môžu pripájať a zasa odpájať fosfátové skupiny, pričom molekula má iné vlastnosti v ich prítomnosti a iné bez nich. Ukázalo sa, že KaiA spôsobuje nadväzovanie fosfátových skupín počas 12 hodín, KaiB zasa ich odpájanie nasledujúcich 12 hodín.
Vedci si dlho nevedeli poradiť so skutočnosťou, že sa im nedarilo analyzovať štruktúru "časomerných" bielkovinových komplexov pomocou röntgenovej kryštalografie. Dôvod vyšiel najavo, keď použili elektrónový mikroskop.
"Zistili sme, že nejde o statický komplex, ktorý by mohol kryštalizovať, takže röntgenová kryštalografia nepriniesla očakávaný efekt," objasňuje profesorka Stewartová. "V skutočnosti je to zmes bielkovinových komplexov, ktorá sa stále mení z jednej podoby do druhej. V každom okamihu je však pomer jednotlivých komplexov v zmesi odlišný."
Nastupuje matematika
Výskumníci postupne odhalili, že dvadsaťštyrihodinový cyklus sa skladá zo siedmich fáz. Na rad prišiel biomatematik Mark Byrne. Podarilo sa mu na základe analýzy biochemických dejov vytvoriť matematický model fungovania bunkových biologických hodín. Umožňuje stanoviť vplyvy, ktoré udržujú jeho stabilitu, alebo, naopak môžu spôsobovať jeho spomaľovanie, zrýchľovanie či destabilizáciu.
Výsledky tímu zverejnilo marcové číslo odborného časopisu Public Library of Science Biology. Napriek tomuto úspechu vedci ešte o biologických hodinách ani zďaleka nevedia všetko, čo by potrebovali.
"Naša doterajšia výskumná práca a jej výsledky sú len prvým stupňom k tomu, aby sme pochopili celý dvadsaťštyrihodinový cyklus," uviedla profesorka Phoebe Stuartová. "Naším ďalším cieľom je pochopiť vzájomnú spoluprácu molekúl bielkovín, aby tento mikroskopický hodinový stroj fungoval."
Autori pripomínajú, že v skutočnom živote pravdepodobne fungujú biologické hodiny komplikovanejšie než v laboratórnych podmienkach. Očakávajú, že sa im podarí presne opísať ďalšie regulačné mechanizmy, ktoré ovplyvňujú ich chod.